Microporous Hard Carbon Support Provokes Exceptional Performance of Single Atom Electrocatalysts for Advanced Air Cathodes

微型多孔材料 阴极 碳纤维 纳米技术 材料科学 Atom(片上系统) 碳原子 化学工程 化学 物理化学 有机化学 工程类 复合材料 嵌入式系统 烷基 复合数
作者
Haijing Liu,Ping Li,Kaicai Fan,Fenghong Lu,Qi Sun,Qi Zhang,Bin Li,Yajie Shu,Lingbo Zong,Lei Wang
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/ange.202501307
摘要

Single atom catalysts embracing metal‐nitrogen (MNx) moieties show promising performance for oxygen reduction reaction (ORR). The modification on spatially confined microenvironments, which won copious attention with respect to achieving efficient catalysts, are auspicious but yet to be inspected for MNx moieties from modulating the energetics and kinetics of ORR. Here, Fe single atoms (SAs) are immobilized in microporous hard carbon (Fe‐SAs/MPC), in which the microporous structure with crumpled graphene sheets serves confined microenvironment for catalysis. Fe‐SAs/MPC holds a remarkable half‐wave potential of 0.927 V and excellent stability for ORR. Theoretical studies unveil that hydrogen bonding between the intermediate of O* and micropore interior surfaces substantially promotes its protonation and accelerates overall ORR kinetics. Both the aqueous and quasi‐solid‐state zinc‐air batteries driven by Fe‐SAs/MPC air cathode show excellent stability with small charging/discharging voltage gaps. Importantly, when used as the air cathode for industrial chlor‐alkali process, the applied voltage of Fe‐SAs/MPC‐based flow cell to reach 300 mA cm−2 is 1.57 V, which is 210 mV smaller than Pt/C‐based one. These findings provide in‐depth insights into the confined microenvironment of MNx moieties for boosted electrochemical performance, and pave the pathways for future catalyst development satisfying the requirement of industrial applications.
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