Electronically and Geometrically Modified Single‐Atom Fe Sites by Adjacent Fe Nanoparticles for Enhanced Oxygen Reduction

催化作用 材料科学 限制 氧还原反应 纳米颗粒 Atom(片上系统) 氧还原 金属 电子结构 氧气 氧原子 纳米技术 工作(物理) 热稳定性 结晶学 化学工程 物理化学 计算化学 电化学 化学 热力学 分子 冶金 有机化学 物理 嵌入式系统 工程类 机械工程 计算机科学 电极
作者
Shu‐Na Zhao,Jun-Kang Li,Rui Wang,Jinmeng Cai,Shuang‐Quan Zang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:34 (5) 被引量:106
标识
DOI:10.1002/adma.202107291
摘要

Fe-N-C materials exhibit excellent activity and stability for oxygen reduction reaction (ORR), as one of the most promising candidates to replace commercial Pt/C catalysts. However, it is challenging to unravel features of the superior ORR activity originating from Fe-N-C materials. In this work, the electronic and geometric structures of the isolated Fe-N-C sites and their correlations with the ORR performance are investigated by varying the secondary thermal activation temperature of a rationally designed NC-supported Fe single-atom catalyst (SAC). The systematic analyses demonstrate the significant role of coordinated atoms of SA and metallic Fe nanoparticles (NPs) in altering the electronic structure of isolated Fe-N-C sites. Meanwhile, strong interaction between isolated Fe-N-C sites and adjacent Fe NPs can change the geometric structure of isolated Fe-N-C sites. Theoretical calculations reveal that optimal regulation of the electronic and geometric structure of isolated Fe-N-C sites by the co-existence of Fe NPs narrows the energy barriers of the rate-limiting steps of ORR, resulting in outstanding ORR performance. This work not only provides the fundamental understanding of the underlying structure-activity relationship, but also sheds light on designing efficient Fe-N-C catalysts.
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