Engineering d-band center of FeN4 moieties for efficient oxygen reduction reaction electrocatalysts

氧还原反应 材料科学 催化作用 金属 微型多孔材料 纳米技术 双金属片 双原子分子 化学工程 物理化学 有机化学 电化学 化学 分子 电极 工程类 冶金 复合材料
作者
Zheng Li,Zhongliang Tian,Hao Cheng,Tao Wang,Wei Zhang,Yao Lu,Yanqing Lai,Guanjie He
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:59: 102764-102764 被引量:86
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2023.04.003
摘要

Atomically-dispersed FeN4 moieties are emerging as low-cost electrocatalysts for oxygen reduction reaction (ORR), which can be applied in fuel cells and metal-air batteries. Whereas, the unsatisfactory position of the d-band center from the metal sites offered by FeN4 affects the adsorption-desorption behaviors of oxygenated intermediates, further impeding the improvement of their ORR performances. Herein, we report a well-designed diatomic Fe/Zn-CNHC catalyst on a microporous hollow support. This strategy drives the position of the d-band center of Fe upward, thus making FeN4 active sites more favorable and stable during the ORR kinetic processes. The material exhibits an excellent ORR activity with a half-wave potential of 0.91 V and excellent stability (insignificant attenuation after 5,000 cycles), surpassing commercial Pt/C and many other single-atom catalysts. DFT calculations further indicate that the tuning effect of Zn on the d-orbital electron distribution of Fe facilitates the stretching and cleavage of Fe-O, thus accelerating the rate-determining step. This work presents a simple strategy to fabricate well-defined diatomic coordination in single-atom ORR electrocatalysts and inspires future research on developing new syntheses to control the coordination of single-atom electrocatalysts.
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