Tailoring the microenvironment in Fe–N–C electrocatalysts for optimal oxygen reduction reaction performance

过电位 电催化剂 沸石咪唑盐骨架 化学 咪唑酯 催化作用 碳纤维 氧还原反应 热解 吸附 无机化学 化学工程 电极 材料科学 金属有机骨架 电化学 物理化学 有机化学 复合材料 复合数 工程类
作者
Qing Wang,Ruihu Lu,Yuqi Yang,Xuanze Li,Guangbo Chen,Lu Shang,Lishan Peng,Dongxiao Sun‐Waterhouse,Bruce C. C. Cowie,Xiangmin Meng,Yan Zhao,Tierui Zhang,Geoffrey I.N. Waterhouse
出处
期刊:Science Bulletin [Elsevier]
卷期号:67 (12): 1264-1273 被引量:37
标识
DOI:10.1016/j.scib.2022.04.022
摘要

Fe-N-C electrocatalysts, comprising FeN4 single atom sites immobilized on N-doped carbon supports, offer excellent activity in the oxygen reduction reaction (ORR), especially in alkaline solution. Herein, we report a simple synthetic strategy for improving the accessibility of FeN4 sites during ORR and simultaneously fine-tuning the microenvironment of FeN4 sites, thus enhancing the ORR activity. Our approach involved a simple one-step pyrolysis of a Fe-containing zeolitic imidazolate framework in the presence of NaCl, yielding a hierarchically porous Fe-N-C electrocatalyst containing tailored FeN4 sites with slightly elongated Fe-N bond distances and reduced Fe charge. The porous carbon structure improved mass transport during ORR, whilst the microenvironment optimized FeN4 sites benefitted the adsorption/desorption of ORR intermediates. Accordingly, the developed electrocatalyst, possessing a high FeN4 site density (9.9 × 1019 sites g-1) and turnover frequency (2.26 s-1), delivered remarkable ORR performance with a low overpotential (a half-wave potential of 0.90 V vs. reversible hydrogen electrode) in 0.1 mol L-1 KOH.
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