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Rational Design of Atomically Immobilized Fe‐N4 Sites via Acid‐Amine Chemistry: Leveraging Metal Ionic Assistance for Precise Morphology Control

合理设计 离子键合 金属 形态学(生物学) 胺气处理 化学 组合化学 化学工程 纳米技术 无机化学 材料科学 有机化学 离子 工程类 遗传学 生物
作者
Arunprasath Sathyaseelan,Vijayakumar Elumalai,Muthukumar Perumalsamy,Swapnil Shital Nardekar,Arul Saravanan Raaju Sundhar,S. Karthikeyan,Dong Jin Yoo,Sang‐Jae Kim
出处
期刊:SusMat [Wiley]
标识
DOI:10.1002/sus2.260
摘要

ABSTRACT Tailoring atomically dispersed single‐atom catalyst (Fe‐SAC) holding well‐defined coordination structure (Fe‐N 4 ) along with precise control over morphology is a critical challenge. Herein, we propose a novel acid‐amine coupling reaction between metal‐chelated ionic liquid ([1‐(3‐aminopropyl) 3‐methylimidazolium tetrachloroferrate(III)] [APIM] + [FeCl 4 ] − ) and carboxylic groups of carbon allotropes (C = GO, CNT, CNF, and vX‐72) to precisely immobilize Fe‐N x sites. Out of designed single‐atom catalyst (IL‐Fe‐SAC‐C), Fe‐N 4 on graphene (IL‐Fe‐SAC‐Gr) delivered superior oxygen reduction reaction (ORR) activity by holding higher halfwave potential of 0.882 V versus RHE in 1.0 M KOH akin to Pt/C (0.878 V vs. RHE) and surpassing recently reported M–N–C catalysts with superior ethanol tolerance. Thanks to higher graphitization degree, enhanced surface characteristics, and richness in high‐density Fe‐N 4 sites of IL‐Fe‐SAC‐Gr confirmed by XPS, X‐ray absorption spectroscopy (XAS), and HAADF analysis. The IL‐Fe‐SAC‐Gr catalyst‐coated cathode on testing in flexible direct ethanol fuel cells (f‐DEFC) delivered higher peak power density of 18 mW cm −2 by outperforming Pt/C‐based cathode by 3.5 times as a result of excellent ethanol tolerance. Further, the developed f‐DEFC successfully powered the Internet of Things (IoT)‐based health monitoring system. This method demonstrates novel strategy to tailor high‐performance single‐atom (Fe‐SAC‐C) sites on desired morphologies to meet specific application requirements with feasibility and versatility.

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