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Breaking Atomic Fe–N 4 Symmetry in Aerogel Catalysts by Nitrogen and Chlorine Doping for Enhancing Oxygen Reduction

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作者
Ying Yu,Tan Li,WU Sheng-qi,Peng-Fei Xie,Yi-Long Chen,Jiyoung Lee,Yubo Xing,Zhiqiang Xiao,Dong Feng,Peng Dong,Yingjie Zhang,Shichao Ding,Il-Doo Kim,Jin-Cheng Li
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsnano.6c01618
摘要

The growing demand for metal-air batteries and fuel cells has spurred extensive research into low-cost, highly efficient, noble-metal-free electrocatalysts to overcome the sluggish oxygen reduction reaction (ORR) at the cathode. Herein, we propose a chemical assembly strategy to engineer an asymmetrically structured Fe–N4 single-atom active site densely embedded within a hierarchical micro-nanoporous aerogel. The asymmetric Fe–N4 single-atom moiety, modulated by N and Cl codopants, enhances intrinsic ORR activity, while the porous aerogel geometry facilitates rapid electron and mass transport. As a result, the resulting catalyst demonstrates high ORR performance, achieving half-wave potentials of 0.92 V in alkaline media and 0.82 V in acidic media, in stark contrast to conventional Fe catalysts with planar coordination symmetries. When used in the H2–O2 fuel cell, a peak power density of 755 mW cm–2 is achieved. Furthermore, Zn–air batteries utilizing this catalyst deliver high peak power densities of 395 mW cm–2 and 161 mW cm–2 for liquid- and solid-state batteries, respectively, while maintaining excellent stability under repeated cycles and various mechanical deformations. Complementing these experimental results, we introduced an explainable XGBoost machine-learning model to accurately predict battery power density, uncovering critical performance trends driven by voltage, catalyst atomistic architecture, and device configurations. This work not only presents a method for fabricating high-performance single-atom aerogel catalysts but also offers valuable design principles for advancing the commercial viability of electrocatalysis-based energy systems.
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