Self-Templated Engineering of W3N4 Active Sites on CTF-Derived Tungsten Catalysts: Synergistic Regulation of Mass Transfer, Reaction Pathway, and Oxygen Reduction Activity

材料科学 催化作用 氧还原反应 氧气 化学工程 无机化学 物理化学 电化学 冶金 有机化学 化学 电极 工程类
作者
Huan Ye,Yuanzhi Zhu,Qicheng Zhang,Jiawen Wu,Xiaobin Fan,Wenchao Peng,Xiaoxia Chang,Yang Li
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:17 (32): 45733-45743
标识
DOI:10.1021/acsami.5c08970
摘要

The urgent demand for Pt-free oxygen reduction catalysts drives exploration of tungsten-based alternatives, motivated by its Pt–mimetic valence electron configuration and optimal oxygen binding energy (ΔEO ≈ – 2.05 eV) revealed in oxygen reduction reaction (ORR) volcano plots. Herein, a hierarchical W3N4-doped catalyst has been engineered through dual-stage thermal activation of covalent triazine framework (CTF)–tungstate complexes, where W precursors serve dual roles as self-sacrificing templates and active site generators. In-depth discussions via distribution of relaxation time (DRT) analysis elucidates that the hierarchical pore structure and active sites of WNNP-C demonstrate ∼90% reduction in relaxation time (τ = 0.18 vs 1.6 s of WNOSAC-C) at half potential and achieve a 0.83 V half-wave potential (E1/2) approaching Pt/C (0.865 V) in 0.1 M KOH coupled with exceptional methanol tolerance. The mechanistic analysis demonstrates that the enhanced electrical conductivity of the catalyst support facilitates the desorption of *OH intermediates by overcoming their elevated energy barrier, which preferentially promotes the 4e– ORR pathway and consequently improves the overall ORR performance. Moreover, the WNNP-C assembled zinc–air battery delivers 839 mAh gZn–1 specific capacity and over 140 h of stability at a discharge current density of 5 mA/cm2, validating the strategy’s effectiveness in synchronizing porous architectures with W3N4 active centers. This work provides a paradigm for unlocking catalytic potential in traditionally inert transition metals through synergistic coordination pyrolysis engineering.
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