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

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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]
卷期号:265: 118593-118593 被引量:75
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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