Coupled Fe 3 O 4 ‐Cluster Precipitates and Single Fe‐Atom Catalysts Can Boost Oxygen Reduction via Concomitantly Accelerated Water Dissociation

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作者
Cheng‐Kai Du,Xiongyi Liang,Fei‐Xiang Ma,Yuxia Li,Zheng‐Qi Liu,Long Ma,Zeng Li,Liang Zhen,Yan Huang,Xiao Cheng Zeng,Cheng‐Yan Xu
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/ange.5493485
摘要

ABSTRACT Fe–N–C single‐atom catalysts (SACs) can deliver high activity for catalyzing the oxygen reduction reaction (ORR) in alkaline conditions. However, the sluggish water dissociation upon Fe–N 4 active sites limits their proton‐coupled electron transfer (PCET) capability, impeding their practical applications like anion‐exchange membrane fuel cells (AEMFCs). Here, inspired by the known nanoprecipitation behavior in solid‐solution alloys, a residual‐oxygen‐assisted precipitation strategy is undertaken to fabricate coupled Fe 3 O 4 ‐cluster precipitates along with single Fe‐atom catalysts (Fe 3 O 4 /Fe SA @NC), where Fe 3 O 4 clusters are generated by slight oxidation and local enrichment of Fe atoms in the Fe SA @NC matrix. Operando spectroscopy and theoretical calculations suggest that the Fe 3 O 4 ‐cluster precipitates not only induce asymmetric electronic structures of the Fe‐N 4 active center to optimize the OH* adsorption, but also accelerate the water dissociation on Fe‐N 4 sites to boost the PCET steps, thereby promoting the ORR. Notably, the coupled Fe 3 O 4 /Fe SA @NC exhibits superb alkaline ORR performance with a high half‐wave potential of 0.953 V versus RHE. When employed as cathode catalysts, the Fe 3 O 4 /Fe SA @NC demonstrates a high peak power density of 909.3 mW cm −2 and 219.4 mW cm −2 in AEMFCs and Zn‐air batteries, respectively, far exceeding that of the commercial Pt/C catalyst. The novel coupled metal‐oxide cluster/SAC strategy can be exploited as a generic approach for improving electrocatalytic performance.
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