A General Method for Transition Metal Single Atoms Anchored on Honeycomb‐Like Nitrogen‐Doped Carbon Nanosheets

材料科学 过渡金属 电催化剂 碳纤维 金属 催化作用 电子结构 电子转移 氧还原 密度泛函理论 兴奋剂 纳米技术 物理化学 计算化学 电极 化学 光电子学 电化学 复合数 复合材料 生物化学 冶金
作者
Xiaoyan Zhang,Shan Zhang,Yong Yang,Liguang Wang,Zijie Mu,Haishuang Zhu,Xiaoqing Zhu,Huanhuan Xing,Hongyin Xia,Bolong Huang,Jing Li,Shaojun Guo,Erkang Wang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:32 (10) 被引量:206
标识
DOI:10.1002/adma.201906905
摘要

Abstract Excavating and developing highly efficient and cost‐effective nonnoble metal single‐atom catalysts for electrocatalytic reactions is of paramount significance but still in its infancy. Herein, reported is a general NaCl template‐assisted strategy for rationally designing and preparing a series of isolated transition metal single atoms (Fe/Co/Ni) anchored on honeycomb‐like nitrogen‐doped carbon matrix (M 1 ‐HNC‐T 1 ‐T 2 , M = Fe/Co/Ni, T 1 = 500 °C, T 2 = 850 °C). The resulting M 1 ‐HNC‐500‐850 with M‐N 4 active sites exhibits superior capability for oxygen reduction reaction (ORR) with the half‐wave potential order of Fe 1 ‐HNC‐500‐850 > Co 1 ‐HNC‐500‐850 > Ni 1 ‐HNC‐500‐850, in which Fe 1 ‐HNC‐500‐850 shows better performance than commercial Pt/C. Density functional theory calculations reveal a choice strategy that the strong p–d‐coupled spatial charge separation results the Fe‐N 4 effectively merges active electrons for elevating d‐band activity in a van‐Hove singularity like character. This essentially generalizes an optimal electronic exchange‐and‐transfer (ExT) capability for boosting sluggish alkaline ORR activity. This work not only presents a universal strategy for preparing single‐atom electrocatalyst to accelerate the kinetics of cathodic ORR but also provides an insight into the relationship between the electronic structure and the electrocatalytical activity.
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