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Contracted Fe–N5–C11 Sites in Single-Atom Catalysts Boosting Catalytic Performance for Oxygen Reduction Reaction

催化作用 材料科学 密度泛函理论 咔咯 卟啉 X射线吸收光谱法 结晶学 无机化学 吸收光谱法 光化学 化学 计算化学 有机化学 物理 量子力学
作者
Chao Xu,Yanping Zhang,Tianlong Zheng,Zhi-Qiang Wang,Ye‐Min Zhao,Pengpeng Guo,Lu Chen,Kun-Zu Yang,Ping‐Jie Wei,Qinggang He,Xue‐Qing Gong,Jin‐Gang Liu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (27): 32341-32351 被引量:14
标识
DOI:10.1021/acsami.3c03982
摘要

Promoting the catalyst performance for oxygen reduction reaction (ORR) in energy conversion devices through controlled manipulation of the structure of catalytic active sites has been a major challenge. In this work, we prepared Fe-N-C single-atom catalysts (SACs) with Fe-N5 active sites and found that the catalytic activity of the catalyst with shrinkable Fe-N5-C11 sites for ORR was significantly improved compared with the catalyst bearing normal Fe-N5-C12 sites. The catalyst C@PVI-(TPC)Fe-800, prepared by pyrolyzing an axial-imidazole-coordinated iron corrole precursor, exhibited positive shifted half-wave potential (E1/2 = 0.89 V vs RHE) and higher peak power density (Pmax = 129 mW/cm2) than the iron porphyrin-derived counterpart C@PVI-(TPP)Fe-800 (E1/2 = 0.81 V, Pmax = 110 mW/cm2) in 0.1 M KOH electrolyte and Zn-air batteries, respectively. X-ray absorption spectroscopy (XAS) analysis of C@PVI-(TPC)Fe-800 revealed a contracted Fe-N5-C11 structure with iron in a higher oxidation state than the porphyrin-derived Fe-N5-C12 counterpart. Density functional theory (DFT) calculations demonstrated that C@PVI-(TPC)Fe-800 possesses a higher HOMO energy level than C@PVI-(TPP)Fe-800, which can increase its electron-donating ability and thus help achieve enhanced O2 adsorption as well as O-O bond activation. This work provides a new approach to tune the active site structure of SACs with unique contracted Fe-N5-C11 sites that remarkably promote the catalyst performance, suggesting significant implications for catalyst design in energy conversion devices.
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