Universal Approach to Fabricating Graphene-Supported Single-Atom Catalysts from Doped ZnO Solid Solutions

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作者
Jiashen Meng,Jiantao Li,Jinshuai Liu,Xingcai Zhang,Gengping Jiang,Lu Ma,Zhi‐Yi Hu,Shibo Xi,Yunlong Zhao,Mengyu Yan,Huanting Wang,Xiong Liu,Qidong Li,Jefferson Zhe Liu,Tianpin Wu,Liqiang Mai
出处
期刊:ACS central science [American Chemical Society]
卷期号:6 (8): 1431-1440 被引量:72
标识
DOI:10.1021/acscentsci.0c00458
摘要

Single-atom catalysts (SACs) have attracted widespread interest for many catalytic applications because of their distinguishing properties. However, general and scalable synthesis of efficient SACs remains significantly challenging, which limits their applications. Here we report an efficient and universal approach to fabricating a series of high-content metal atoms anchored into hollow nitrogen-doped graphene frameworks (M-N-Grs; M represents Fe, Co, Ni, Cu, etc.) at gram-scale. The highly compatible doped ZnO templates, acting as the dispersants of targeted metal heteroatoms, can react with the incoming gaseous organic ligands to form doped metal–organic framework thin shells, whose composition determines the heteroatom species and contents in M-N-Grs. We achieved over 1.2 atom % (5.85 wt %) metal loading content, superior oxygen reduction activity over commercial Pt/C catalyst, and a very high diffusion-limiting current (6.82 mA cm–2). Both experimental analyses and theoretical calculations reveal the oxygen reduction activity sequence of M-N-Grs. Additionally, the superior performance in Fe-N-Gr is mainly attributed to its unique electron structure, rich exposed active sites, and robust hollow framework. This synthesis strategy will stimulate the rapid development of SACs for diverse energy-related fields.
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