Atomic‐Level Fe‐N‐C Coupled with Fe3C‐Fe Nanocomposites in Carbon Matrixes as High‐Efficiency Bifunctional Oxygen Catalysts

材料科学 催化作用 双功能 化学工程 纳米复合材料 无机化学 纳米技术 碳纤维 氧气 化学 有机化学 复合材料 复合数 工程类
作者
Xueping Sun,Peng Wei,Songqi Gu,Jinxu Zhang,Zheng Jiang,Jing Wan,Zhaoyang Chen,Li Huang,Yue Xu,Chun Fang,Qing Li,Jiantao Han,Yunhui Huang
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:16 (6) 被引量:126
标识
DOI:10.1002/smll.201906057
摘要

Highly active and durable bifunctional oxygen electrocatalysts are of pivotal importance for clean and renewable energy conversion devices, but the lack of earth-abundant electrocatalysts to improve the intrinsic sluggish kinetic process of oxygen reduction/evolution reactions (ORR/OER) is still a challenge. Fe-N-C catalysts with abundant natural merits are considered as promising alternatives to noble-based catalysts, yet further improvements are urgently needed because of their poor stability and unclear catalytic mechanism. Here, an atomic-level Fe-N-C electrocatalyst coupled with low crystalline Fe3 C-Fe nanocomposite in 3D carbon matrix (Fe-SAs/Fe3 C-Fe@NC) is fabricated by a facile and scalable method. Versus atomically FeNx species and crystallized Fe3 C-Fe nanoparticles, Fe-SAs/Fe3 C-Fe@NC catalyst, abundant in vertical branched carbon nanotubes decorated on intertwined carbon nanofibers, exhibits high electrocatalytic activities and excellent stabilities both in ORR (E1/2 , 0.927 V) and OER (EJ=10 , 1.57 V). This performance benefits from the strong synergistic effects of multicomponents and the unique structural advantages. In-depth X-ray absorption fine structure analysis and density functional theory calculation further demonstrate that more extra charges derived from modified Fe clusters decisively promote the ORR/OER performance for atomically FeN4 configurations by enhanced oxygen adsorption energy. These insightful findings inspire new perspectives for the rational design and synthesis of economical-practical bifunctional oxygen electrocatalysts.
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