Identification of catalytic sites in cobalt-nitrogen-carbon materials for the oxygen reduction reaction

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作者
Andrea Zitolo,Nastaran Ranjbar Sahraie,Tzonka Mineva,Jingkun Li,Qingying Jia,Serban Nicolae Stamatin,George Frederick Harrington,Stephen Matthew Lyth,Petr Krtil,Sanjeev Mukerjee,Emiliano Fonda,Frédéric Jaouen
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:8 (1): 957-957 被引量:584
标识
DOI:10.1038/s41467-017-01100-7
摘要

Abstract Single-atom catalysts with full utilization of metal centers can bridge the gap between molecular and solid-state catalysis. Metal-nitrogen-carbon materials prepared via pyrolysis are promising single-atom catalysts but often also comprise metallic particles. Here, we pyrolytically synthesize a Co–N–C material only comprising atomically dispersed cobalt ions and identify with X-ray absorption spectroscopy, magnetic susceptibility measurements and density functional theory the structure and electronic state of three porphyrinic moieties, CoN 4 C 12 , CoN 3 C 10,porp and CoN 2 C 5 . The O 2 electro-reduction and operando X-ray absorption response are measured in acidic medium on Co–N–C and compared to those of a Fe–N–C catalyst prepared similarly. We show that cobalt moieties are unmodified from 0.0 to 1.0 V versus a reversible hydrogen electrode, while Fe-based moieties experience structural and electronic-state changes. On the basis of density functional theory analysis and established relationships between redox potential and O 2 -adsorption strength, we conclude that cobalt-based moieties bind O 2 too weakly for efficient O 2 reduction.
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