Triethylenediamine cobalt complex encapsulated in a metal–organic framework cage to prepare a cobalt single-atom catalyst with a high Co-N4 density for an efficient oxygen reduction reaction

催化作用 氧还原反应 化学 氧还原 分子 氧气 金属有机骨架 笼子 金属 氧原子 无机化学 电化学 物理化学 有机化学 吸附 电极 组合数学 数学
作者
Cheng Gao,Longzhu Li,Xiaoming Yan,Ning Zhang,Junjiang Bao,Xiaopeng Zhang,Yanqiang Li
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier BV]
卷期号:653: 296-307 被引量:16
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2023.09.027
摘要

Transition metal single atom catalysts (TM SACs) are the most promising oxygen reduction reaction (ORR) catalysts for proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) and metal-air batteries. However, the low density of M-Nx active sites seriously hinders further improvement of the ORR electrocatalytic activity. Here, a strategy for encapsulating nitrogen-rich guest molecules (triethylenediamine cobalt complex, [Co(en)3]3+) was proposed to construct a high-performance cobalt single-atom catalyst (Co-encapsulated SAC/NC). With this strategy, the guest molecules are encapsulated into metal-organic framework (MOF) cages as an additional cobalt source to boost cobalt loading, while abundant nitrogen from guest molecules contributes to the formation of Co-N4 active sites. Remarkably, the resulting Co-encapsulated SAC/NC has a high cobalt loading amount of 4.03 wt%, and spherical aberration-corrected transmission electron microscopy (AC-TEM) has confirmed that most cobalt exists in a single-atom state. As a result, the Co-encapsulated SAC/NC exhibits excellent ORR catalytic performance with a half-wave potential of 0.88 V. Furthermore, Zn-air batteries employing Co-encapsulated SAC/NC as air cathode show high peak power density and excellent cycling stability. Density functional theory (DFT) calculations reveal that adjacent active sites have different rate-determining steps and lower reaction energy barriers than a single active site.
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