Metal–Organic Framework-Derived Graphene Mesh: a Robust Scaffold for Highly Exposed Fe–N4 Active Sites toward an Excellent Oxygen Reduction Catalyst in Acid Media

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作者
Jingjing Li,Wei Xia,Jing Tang,Yong Gao,Cheng Jiang,Yining Jia,Tao Chen,Zhufeng Hou,Ruijuan Qi,Dong Jiang,Toru Asahi,Xingtao Xu,Tao Wang,Jianping He,Yusuke Yamauchi
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (21): 9280-9291 被引量:230
标识
DOI:10.1021/jacs.2c00719
摘要

This study demonstrates a special ultrathin N-doped graphene nanomesh (NGM) as a robust scaffold for highly exposed Fe-N4 active sites. Significantly, the pore sizes of the NGM can be elaborately regulated by adjusting the thermal exfoliation conditions to simultaneously disperse and anchor Fe-N4 moieties, ultimately leading to highly loaded Fe single-atom catalysts (SA-Fe-NGM) and a highly exposed morphology. The SA-Fe-NGM is found to deliver a superior oxygen reduction reaction (ORR) activity in acidic media (half-wave potential = 0.83 V vs RHE) and a high power density of 634 mW cm-2 in the H2/O2 fuel cell test. First-principles calculations further elucidate the possible catalytic mechanism for ORR based on the identified Fe-N4 active sites and the pore size distribution analysis. This work provides a novel strategy for constructing highly exposed transition metals and nitrogen co-doped carbon materials (M-N-C) catalysts for extended electrocatalytic and energy storage applications.
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