Laser Synthesis of Nonprecious Metal-Based Single-Atom Catalysts for Oxygen Reduction Reaction

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作者
Sha Yang,Francis Peter Moissinac,Menghui Zhu,Kun Huang,Hengyi Guo,Lingtao Wang,Yuxiang Liu,Lin Li,Andrew G. Thomas,Zhu Liu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (44): 51004-51012 被引量:10
标识
DOI:10.1021/acsami.3c09556
摘要

Development of nonprecious metal-based single-atom catalysts (SACs) has provided opportunities to substitute Pt group metals and offer maximum atom utilization and unique coordination environments. Among these catalysts, Fe–N–C catalysts with atomically dispersed Fe–N4 active sites have emerged as some of the most promising oxygen reduction reaction (ORR) catalysts. However, furnace synthesis of Fe–N–C catalysts with carbon substrate derived from metal–organic framework (MOF) involves a high-temperature procedure, in which nitrogen from the carbonized MOF tends to be removed, subsequently leading to a low density of active sites. In this work, we developed a rapid and simple solid-state route to fabricate SACs through laser-induced thermal activation (LITA) of carbonized zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8) adsorbed with Fe precursors. The results demonstrate that the laser process effectively avoids the loss of nitrogen in the nitrogen-doped carbon substrate and achieves a loading of Fe single atoms of 2.3 wt %, in comparison with that of 1.2 wt % from the conventional furnace treatment. The Fe–N–C catalyst synthesized in the study presents a half-wave potential of 0.91 V for ORR in alkaline media, which is higher than that of commercial Pt/C (0.87 V). When used as a cathode catalyst in zinc-air batteries (ZABs), the battery exhibits excellent electrochemical performance. This work also demonstrates the versatility of the technique through the successful synthesis of Co–N–C and Ni–N–C single atoms on nitrogen-doped carbon substrates.
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