Green Synthesis of a Highly Efficient and Stable Single-Atom Iron Catalyst Anchored on Nitrogen-Doped Carbon Nanorods for the Oxygen Reduction Reaction

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作者
Xilong Wang,Chen Yang,Xiaogang Wang,Hongwei Zhu,Lijuan Cao,Anyong Chen,Lin Gu,Qinghua Zhang,Lirong Zheng,Han‐Pu Liang
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:9 (1): 137-146 被引量:55
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.0c05509
摘要

The synthesis of inexpensive and efficient electrocatalysts with an excellent stability for the electrochemical oxygen reduction reaction (ORR) in both alkaline and acid media through a facile environment-friendly strategy is extremely desirable but remains challenging. In this study, a single-atom iron electrocatalyst with exclusively Fe–N4 moieties anchored on nitrogen-doped carbon nanorods (denoted as Fe–SA/NCS) is synthesized through a one-step pyrolysis of Fe-doped zeolitic imidazole framework-8 (ZIF8) nanorods that are synthesized in an aqueous system without acid leaching assistance. Profiting from the synergistic effect of the hierarchically porous carbon support with a rodlike structure and the large number of Fe–N4 moieties, the newly prepared Fe–SA/NCS exhibits excellent ORR catalysis activities with a half-wave potential of 0.91 V vs RHE in 0.1 M KOH as well as 0.77 V vs RHE in 0.1 M HClO4. Furthermore, better stability in alkaline or acid conditions was also observed for Fe–SA/NCS compared with Pt/C. The high open-circuit voltage of 1.53 V and high power density of 141.6 mW cm–2 of a zinc–air battery (ZAB) with Fe–SA/NCS as the cathode material indicate excellent electrochemical performances. The ZAB with the Fe–SA/NCS catalysts exhibits a remarkable cycling performance for more than 300 h with a high voltaic efficiency of 78.6%. The present work could pave the way for the rational construction of highly efficient and stable single-atom electrocatalysts through green synthesis for sustainable energy technologies.
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