Optimizing electrocatalytic oxygen reduction by adjacent C-O-C structure-driven charge separation on FeN4 active sites

催化作用 氧还原 氧气 碳纤维 密度泛函理论 氧还原反应 材料科学 无机化学 化学 计算化学 物理化学 电化学 电极 复合数 复合材料 有机化学
作者
Bin Zhao,Dongping Xue,Pengfei Yuan,Wenfu Yan,Jiangwei Zhang,Shichun Mu,Jianan Zhang
出处
期刊:Applied Catalysis B-environmental [Elsevier]
卷期号:324: 122251-122251 被引量:32
标识
DOI:10.1016/j.apcatb.2022.122251
摘要

The preparation of single atom (SA) Fe-N-C catalysts always results in the formation of an oxygen(O)-containing moieties. The effect of the oxygen-containing part on the oxygen reduction reaction (ORR) conducted with Fe-N-C is often overlooked, and the mechanism of the contribution of the oxygen-doping structure remains ambiguous. Therefore, guided by density functional theory (DFT) calculations, the adjacent C-O-C structure promotes the charge separation of the active center of FeN4 and reduces the adsorption of O-containing intermediates, which significantly increase the ORR kinetics. To experimentally verify such principle, we design the SA FeN4 catalysts (FeN4-700/900) incorporating in carbon substrates derived from O-rich biomass. The FeN4-700/900 catalyst displays enhanced ORR activity under acidic (0.78 V) and alkaline (0.904 V) conditions over FeN4-700/700 and FeN4-900/900 catalysts, while exhibiting excellent Zn-air battery performance. This work opens an avenue to explore the modulation of the active site and the practical application of Fe-N-C catalysts.
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