Roles of Fe−Nx and Fe−Fe3C@C Species in Fe−N/C Electrocatalysts for Oxygen Reduction Reaction

催化作用 材料科学 碳化物 热解 氧还原反应 金属 产量(工程) 分解 无机化学 碳纤维 氧气 电化学 化学 物理化学 冶金 有机化学 电极 复合材料 复合数
作者
Jae Hyung Kim,Young Jin,Hu Young Jeong,Sang Hoon Joo
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:9 (11): 9567-9575 被引量:171
标识
DOI:10.1021/acsami.6b13417
摘要

Iron and nitrogen codoped carbons (Fe-N/C) have emerged as promising nonprecious metal catalysts for the oxygen reduction reaction (ORR). While Fe-Nx sites have been widely considered as active species for Fe-N/C catalysts, very recently, iron and/or iron carbide encased with carbon shells (Fe-Fe3C@C) has been suggested as a new active site for the ORR. However, most of synthetic routes to Fe-N/C catalysts involve high-temperature pyrolysis, which unavoidably yield both Fe-Nx and Fe-Fe3C@C species, hampering the identification of exclusive role of each species. Herein, in order to establish the respective roles of Fe-Nx and Fe-Fe3C@C sites we rationally designed model catalysts via the phase conversion reactions of Fe3O4 nanoparticles supported on carbon nanotubes. The resulting catalysts selectively contained Fe-Nx, Fe-Fe3C@C, and N-doped carbon (C-Nx) sites. It was revealed that Fe-Nx sites dominantly catalyze ORR via 4-electron (4 e-) pathway, exerting a major role for high ORR activity, whereas Fe-Fe3C@C sites mainly promote 2 e- reduction of oxygen followed by 2 e- peroxide reduction, playing an auxiliary role.
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