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Phosphorus-Driven Electron Delocalization on Edge-Type FeN4 Active Sites for Oxygen Reduction in Acid Medium

催化作用 化学 杂原子 质子交换膜燃料电池 可逆氢电极 离域电子 密度泛函理论 无机化学 计算化学 电极 物理化学 电化学 有机化学 戒指(化学) 参比电极
作者
Yin Hengbo,Pengfei Yuan,Bang‐An Lu,Huicong Xia,Kai Guo,Gege Yang,Gan Qu,Dongping Xue,Yongfeng Hu,Junqi Cheng,Shichun Mu,Jianan Zhang
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:11 (20): 12754-12762 被引量:159
标识
DOI:10.1021/acscatal.1c02259
摘要

Precise tuning of the chemical environment of neighboring atomic FeN4 sites is extremely important for optimizing Fe–N–C catalysts to produce the fast oxygen reduction reaction (ORR) kinetics both in acidic and alkaline media, but it is actually very challenging. Heteroatoms could affect the metal charge of the active center through long-range electron delocalization; however, there are a few studies on it. Herein, density functional theory (DFT) calculations demonstrate that the addition of long-range P into edge-type FeN4 can drive the electron delocalization and decrease the band gap of the FeN4 center, leading to a substantial decrease in the free energy barrier to direct four-electron ORR kinetics compared to P-free edge-type FeN4, indicating superior intrinsic ORR activity. Experimentally, by incorporating P in edge-rich FeN4 supported on N,P-doped carbon (Fe–N–C–P/N,P–C), the created Fe–N–C catalyst presents the greatly increased acidic ORR activity, with a half-wave potential (E1/2) of 0.80 V (vs a reversible hydrogen electrode), which approaches that of commercial Pt/C and also has a high half-wave potential of 0.87 V, beyond Pt/C for alkaline ORR. In addition, it shows higher proton exchange membrane fuel cell and Zn-air battery performances than the pristine Fe–C–N catalyst (Fe–N–C/N–C). This work will guide the rational design of highly active metal atomic scale catalysts with optimized chemical surroundings in terms of P incorporation as a chemically tunable method.
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