Edge-sited Fe-N4 atomic species improve oxygen reduction activity via boosting O2 dissociation

催化作用 离解(化学) 材料科学 化学工程 热解 氢氧化物 可逆氢电极 氧气 纳米技术 化学 电极 无机化学 电化学 物理化学 有机化学 参比电极 工程类 生物化学
作者
Ruguang Ma,Gaoxin Lin,Qiangjian Ju,Wei Tang,Gen Chen,Zhenhua Chen,Qian Liu,Minghui Yang,Yunfeng Lu,Jiacheng Wang
出处
期刊:Applied Catalysis B-environmental [Elsevier BV]
卷期号:265: 118593-118593 被引量:78
标识
DOI:10.1016/j.apcatb.2020.118593
摘要

The development of low-cost, efficient, and stable electrocatalysts toward the oxygen reduction reaction (ORR) is urgently demanded for scalable applications in fuel cells or zinc-air batteries (ZABs), but still remains a challenge. Herein, carbon materials with edge-sited Fe-N4 atomic species (E-FeNC) were synthesized from pyrolysis of abundant Fe-containing biomass using silica spheres as hard template. The E-FeNC delivers remarkable ORR performance with a half-wave potential of 0.875 V (vs. reversible hydrogen electrode (RHE)), much better than Pt/C (0.859 V), attributed to atomically dispersed Fe-N4 moieties nearby graphitic edges. The density functional calculations reveal that O2 molecule adsorbs on Fe-N4 sites with an energetically favorable side-on configuration with elongated OO bond rather than end-on form, boosting the subsequent dissociation pathway with a direct 4e reaction route. Using E-FeNC as cathode catalyst, the primary ZAB exhibits high specific capacity of 710 mA h g−1 and power density of 151.6 mW cm−2. The rechargeable ZAB by coupling E-FeNC and NiFe layered double hydroxide (LDH) demonstrates long-term capacity retention over 200 h, superior to that using noble Pt/C and RuO2. This unique carbon material with atomically dispersed metal sites opens up an avenue for the design and engineering of electrocatalysts for energy conversion systems.
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