Nanoparticle-Mediated Synthesis of High-Density Single-Atom Catalysts for Acidic Oxygen Reduction Reaction

化学 催化作用 氧气 还原(数学) 无机化学 氧还原反应 产量(工程) 氧化还原 化学还原 反应条件 反应机理 氧化还原 有机化学 氧还原 反应中间体 悠氧 核化学
作者
Shu-Hu Yin,Fei-Fan Dai,Guang Li,Ming-Yu Zhou,Ming Gong,Ting Zhu,Huan Huang,Yanxia Jiang,Jun Xu,Shi-Gang Sun
出处
期刊:Inorganic Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:65 (12): 6694-6704
标识
DOI:10.1021/acs.inorgchem.5c06062
摘要

Iron-nitrogen-carbon materials are promising nonprecious-metal catalysts for oxygen reduction reaction, yet their active-site density is inherently limited by conventional high-temperature synthesis. Herein, we introduce a precursor-mediated synthesis strategy that overcomes this bottleneck by using ferrous oxalate as a highly dispersed iron source. Controlled low-temperature decomposition generates ultrafine FeOx nanoparticles, which are subsequently converted into atomically dispersed Fe-N4 sites during pyrolysis. The concomitant release of CO2 concurrently etches the carbon matrix, creating additional defects and microporosity. This approach achieves a high site density of 1.18 × 1020 sites g-1 (3.4 ± 0.6 atoms nm-2). The resulting catalyst exhibits outstanding ORR performance in acidic medium, with a half-wave potential of 0.825 V vs RHE, and achieves a peak power density of 1.43 W cm-2 in a practical H2-O2 fuel cell. Operando X-ray absorption spectroscopy further reveals the reversible structural dynamics of the Fe-N4 sites, which switch between tetra- and penta-coordinated configurations during the reaction, directly evidencing that such coordination flexibility optimizes intermediate adsorption/desorption and enhances catalytic activity. This work provides a practical route to break the site-density ceiling in Fe-N-C catalysts and delivers insights into coordination-environment evolution of single-atom centers under working conditions.
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