Synergies of Atomically Dispersed Mn/Fe Single Atoms and Fe Nanoparticles on N-Doped Carbon toward High-Activity Eletrocatalysis for Oxygen Reduction

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作者
Jirong Bai,Yang Fu,Pin Zhou,Peng Xu,Lingling Wang,Jianping Zhang,Xiankai Jiang,Quanfa Zhou,Yaoyao Deng
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (26): 29986-29992 被引量:27
标识
DOI:10.1021/acsami.2c08572
摘要

PGM-free (platinum group metal) electrocatalysts are intensively investigated and used as low-cost catalysts for the oxygen reduction reaction (ORR) in the field of fuel cells, but further studying their performance improvement methods and actual reaction mechanism is still a big a challenge. In this work, a novel eletrocatalyst containing atomically dispersed Mn/Fe single atoms (SAs) and Fe nanoparticles (NPs) on N-doped carbonaceous (nanosheet/nanotube hybrids) is fabricated via a simple pyrolysis method. This high-activity ORR electrocatalyst has higher half-wave potential (E1/2 = 0.91 V) and superior long-term durability in alkaline solutions and outperforms Pt/C catalysts, which can be ascribed to the synergetic interaction between Mn/Fe SAs and Fe-NPs. FeNPs/MnFeSAs-NC-25 has stronger reactant adsorption ability and a lower dissociation energy barrier than FeNPs/FeSAs-NC, which is conducive to breaking the O-O bond and accelerating ORR kinetics. This work presents a method to synthesize carbon-based electrocatalysts with high ORR activity and stability and shows that a variety of active sites encapsulated in N-doped carbonaceous materials can be a class of competitive candidates for PGM-free electrocatalysts.
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