Altering the spin state of Fe-N-C through ligand field modulation of single-atom sites boosts the oxygen reduction reaction

催化作用 材料科学 配体(生物化学) 质子交换膜燃料电池 氧气 自旋态 金属 氧化态 结晶学 无机化学 有机化学 化学 冶金 生物化学 受体
作者
Dongping Xue,Pengfei Yuan,S.M. Jiang,Yifan Wei,Ying Zhou,Chung‐Li Dong,Wenfu Yan,Shichun Mu,Jianan Zhang
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier]
卷期号:105: 108020-108020 被引量:43
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2022.108020
摘要

Atomically dispersed Fe-N-C catalysts are the most promising candidates alternatively to Pt-based catalysts for oxygen reduction reaction (ORR). However, the ORR activity of Fe-Nx electrocatalysts in acid are still far from satisfactory; thus far, although some discussions demonstrate the important role of ligand fields of single atom metal-N-C sites on improving catalytic properties, the behind mechanism is still ambiguous. Herein, based on the ligand field theory, the electron spin-state modulation of Fe active centers in SA Fe-N-C achieved from a low-spin state (LS) for FeN5 (Fe-N5-LS) to a high-spin state (HS) for FeN4 (Fe-N4-HS) and FeN3 (Fe-N3-HS) was realized by converting defect-rich pyrrolic N-coordinated FeNx sites, which tune the electron readily penetrating the antibonding π-orbital of oxygen. The Fe-N4-HS exhibits a 3d-electronic structure of t2g3eg2 and significantly accelerate the ORR reaction kinetics. Taking advantage of activity-boosting high spin state (S5/2) of Fe (III), the designed Fe-N4-HS (with two longitudinal parallel coordinated pyrr-N and pyri-N, respectively) catalyst displays excellent ORR activity, which is comparable to commercial Pt/C catalyst. In addition, Fe-N4-HS presents higher proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) and Zn-air battery performances than most non-precious-metal electrocatalysts. Our findings provide fundamental and technological insights into the correlation between the electronic spin states/geometric structure and high-efficiency SA Fe-N-C catalysts for ORR process.
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