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Creating Asymmetric Fe–N3C–N Sites in Single-Atom Catalysts Boosts Catalytic Performance for Oxygen Reduction Reaction

催化作用 材料科学 氧还原反应 Atom(片上系统) 氧气 还原(数学) 氧原子 氧化还原 物理化学 纳米技术 化学工程 冶金 化学 分子 电化学 有机化学 工程类 几何学 嵌入式系统 计算机科学 数学 电极
作者
Chao Xu,Xuewen Li,Pengpeng Guo,Kun-Zu Yang,Ye‐Min Zhao,Hua‐Min Chi,Ying Xu,Ping‐Jie Wei,Zhi-Qiang Wang,Qing Xu,Jin‐Gang Liu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (29): 37927-37937 被引量:9
标识
DOI:10.1021/acsami.4c05114
摘要

Fine tuning of the metal site coordination environment of a single-atom catalyst (SAC) to boost its catalytic activity for oxygen reduction reaction (ORR) is of significance but challenging. Herein, we report a new SAC bearing Fe-N3C-N sites with asymmetric in-plane coordinated Fe-N3C and axial coordinated N atom for ORR, which was obtained by pyrolysis of an iron isoporphyrin on polyvinylimidazole (PVI) coated carbon black. The C@PVI-(NCTPP)Fe-800 catalyst exhibited significantly improved ORR activity (E1/2 = 0.89 V vs RHE) than the counterpart SAC with Fe-N4-N sites in 0.1 M KOH. Significantly, the Zn-air batteries equipped with the C@PVI-(NCTPP)Fe-800 catalyst demonstrated an open-circuit voltage (OCV) of 1.45 V and a peak power density (Pmax) of 130 mW/cm2, outperforming the commercial Pt/C catalyst (OCV = 1.42 V; Pmax = 119 mW/cm2). The density functional theory (DFT) calculations revealed that the d-band center of the asymmetric Fe-N3C-N structure shifted upward, which enhances its electron-donating ability, favors O2 adsorption, and supports O-O bond activation, thus leading to significantly promoted catalytic activity. This research presents an intriguing strategy for the designing of the active site architecture in metal SACs with a structure-function controlled approach, significantly enhancing their catalytic efficiency for the ORR and offering promising prospects in energy-conversion technologies.
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