Manipulating the coordination dice: Alkali metals directed synthesis of Co-N-C catalysts with CoN 4 sites

催化作用 碱金属 金属 化学 模板 无机化学 碳纤维 离子 结晶学 材料科学 纳米技术 有机化学 复合数 复合材料
作者
Mengxue Huang,Xuya Zhu,Wenwen Shi,Qianqian Qin,Jie Yang,Shanshan Liu,Lifang Chen,Ruimin Ding,Lin Gan,Xi Yin
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:11 (9): eads6658-eads6658 被引量:21
标识
DOI:10.1126/sciadv.ads6658
摘要

Nitrogen-coordinated metal sites (MNx) in metal- and nitrogen-codoped carbon (M-N-C) catalysts offer promising electrocatalytic activity, but selective synthetic design of MNx sites with specific coordination environments remains challenging. Here, we manipulate the formation statistics of MNx sites by using sacrifice alkali metals (AM = Li, Na, and K) to form metal vacancy-Nx carbon (AM-MVNx-C) templates, which are used to direct the solution-phase formation of CoN4 sites in Co-N-C catalysts. We build a probability weight function based on the embedding energy of M in MNx sites as the descriptor for MNx formation statistics, and we predict that the alkali metals are prone to induce the formation of MVN4 sites. By coordinating Co2+ ions with AM-MVNx-C templates, we synthesize Co-N-C with CoN4 sites, demonstrating remarkable oxygen reduction activity in anion exchange membrane fuel cells. These results highlight the statistical thermodynamics of MNx formation and open up the possibility for the rational design of complex M-N-C electrocatalysts with well-defined MNx sites.
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