Tailoring the Stability of Fe-N-C Via Pyridinic Nitrogen for Acid Oxygen Reduction Reaction

还原(数学) 氧气 化学 氮气 氧还原反应 有机化学 数学 物理化学 电化学 几何学 电极
作者
Lingfeng Li,Yandi Wen,Guokang Han,Yuxin Liu,Yajie Song,Wei Zhang,Jia Sun,Lei Du,Fanpeng Kong,Yulin Ma,Yunzhi Gao,Jiajun Wang,Chunyu Du,Geping Yin
出处
期刊:Social Science Research Network [Social Science Electronic Publishing]
标识
DOI:10.2139/ssrn.3985160
摘要

Developing advanced non-precious metal catalysts towards acidic oxygen reduction reaction (ORR) is critical for electrochemical energy conversion devices. Fe-N-C catalysts are demonstrated to be the most promising alternatives to platinum-based catalysts for ORR. Herein, Fe single atoms (SAs) coordinated by pyridinic nitrogen catalysts (denoted as Fe-pyridinic N-C) are synthesized through pyrolysis of ZIF-8 encapsulating ferrocene. Owing to the synergistic effects between Fe SAs and pyridinic N, Fe-pyridinic N-C exhibits remarkable ORR activity and outstanding stability in acid media, evidenced by golden kinetic current density of 9.71 mA cm -2 at 0.8 V, along with only 21 mV decrease in half-wave potential after 20000 cycles. Theoretical calculations demonstrate that pyridine-type N possesses stronger binding energy with Fe SAs compared with pyrrole-type N, thus, effectively stabilizing Fe SAs against demetallation. This study will be of great significance for the development of non-noble metal catalysts towards ORR with enhanced stability in acidic media.
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