Hydrophobicity engineering of hierarchically ordered SiO 2/Fe-N-C catalyst with optimized triple-phase boundary for boosting oxygen reduction reaction

催化作用 Boosting(机器学习) 相界 氧气 材料科学 氧还原反应 氧还原 相(物质) 还原(数学) 化学工程 化学 物理化学 计算机科学 工程类 有机化学 数学 几何学 人工智能 电化学 电极
作者
Yang Zhang,Bingbing Gong,Benji Zhou,Zhibo Liu,Nengneng Xu,Yongxia Wang,Xiaoqian Xu,Qing Cao,Daniil I. Kolokolov,Haitao Huang,Shuaifeng Lou,Guicheng Liu,Woochul Yang,Jinli Qiao
出处
期刊: [Tsinghua University Press]
卷期号:4 (3): e9120180-e9120180 被引量:14
标识
DOI:10.26599/nre.2025.9120180
摘要

The Fe single-atom catalyst (Fe-N-C) with Fe-Nx active sites is considered a promising alternative to Pt-based catalysts for oxygen reduction reaction (ORR). However, the exposure and utilization efficiency of the Fe-Nx site in Fe-N-C leads to a certain competitive distance with Pt-based catalysts in the ORR process. Herein, a space-confinement strategy triggered by SiO2 templates to optimize the ORR triple-phase boundary of Fe-N-C, is reported. As expected, the optimized SiO2(4)/Fe-N-C exhibits excellent ORR activity with a half-wave potential of 0.886 V in 0.1 M KOH. More importantly, the E1/2 loss of SiO2(4)/Fe-N-C is merely 32 mV after 30,000 cycles. Density functional theory (DFT) calculations confirm SiO2-induced carbon defects critically modulate electronic configurations of FeN4 centers, optimizing adsorption energetics of oxygen intermediates. Remarkably, when utilized as air cathodes for zinc-air batteries (ZABs), the device based on SiO2(4)/Fe-N-C displays record-breaking power density (444.10 mW·cm–2) with superior long-term durability over 1013 h, outperforming most reported noble-metal-free electrocatalysts. This work provides a new route to optimize the triple-phase boundary of single-atom catalysts for energy storage applications.
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