A pyridinic Fe-N4 macrocycle models the active sites in Fe/N-doped carbon electrocatalysts

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作者
Travis Marshall-Roth,Nicole J. LiBretto,Alexandra T. Wrobel,Kevin J. Anderton,Michael L. Pegis,Nathan D. Ricke,Troy Van Voorhis,Jeffrey T. Miller,Yogesh Surendranath
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:11 (1) 被引量:449
标识
DOI:10.1038/s41467-020-18969-6
摘要

Abstract Iron- and nitrogen-doped carbon (Fe-N-C) materials are leading candidates to replace platinum catalysts for the oxygen reduction reaction (ORR) in fuel cells; however, their active site structures remain poorly understood. A leading postulate is that the iron-containing active sites exist primarily in a pyridinic Fe-N 4 ligation environment, yet, molecular model catalysts generally feature pyrrolic coordination. Herein, we report a molecular pyridinic hexaazacyclophane macrocycle, (phen 2 N 2 )Fe, and compare its spectroscopic, electrochemical, and catalytic properties for ORR to a typical Fe-N-C material and prototypical pyrrolic iron macrocycles. N 1s XPS and XAS signatures for (phen 2 N 2 )Fe are remarkably similar to those of Fe-N-C. Electrochemical studies reveal that (phen 2 N 2 )Fe has a relatively high Fe(III/II) potential with a correlated ORR onset potential within 150 mV of Fe-N-C. Unlike the pyrrolic macrocycles, (phen 2 N 2 )Fe displays excellent selectivity for four-electron ORR, comparable to Fe-N-C materials. The aggregate spectroscopic and electrochemical data demonstrate that (phen 2 N 2 )Fe is a more effective model of Fe-N-C active sites relative to the pyrrolic iron macrocycles, thereby establishing a new molecular platform that can aid understanding of this important class of catalytic materials.
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