Single‐Atom to Single‐Atom Grafting of Pt1 onto FeN4 Center: Pt1@FeNC Multifunctional Electrocatalyst with Significantly Enhanced Properties

部分 电催化剂 催化作用 材料科学 活动中心 金属 质子交换膜燃料电池 Atom(片上系统) 无机化学 光化学 物理化学 电化学 立体化学 电极 有机化学 嵌入式系统 化学 冶金 计算机科学
作者
Xiaojun Zeng,Jianglan Shui,Xiaofang Liu,Qingtao Liu,Yongcheng Li,Jiaxiang Shang,Lirong Zheng,Ronghai Yu
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:8 (1) 被引量:434
标识
DOI:10.1002/aenm.201701345
摘要

Abstract Nonprecious metal catalysts (NPMCs) FeNC are promising alternatives to noble metal Pt as the oxygen reduction reaction (ORR) catalysts for proton‐exchange‐membrane fuel cells. Herein, a new modulation strategy is reported to the active moiety FeN 4 via a precise “single‐atom to single‐atom” grafting of a Pt atom onto the Fe center through a bridging oxygen molecule, creating a new active moiety of Pt 1 O 2 Fe 1 N 4 . The modulated FeNC exhibits remarkably improved ORR stabilities in acidic media. Moreover, it shows unexpectedly high catalytic activities toward oxygen evolution reaction (OER) and hydrogen evolution reaction (HER), with overpotentials of 310 mV for OER in alkaline solution and 60 mV for HER in acidic media at a current density of 10 mA cm −2 , outperforming the benchmark RuO 2 and comparable with Pt/C(20%), respectively. The enhanced multifunctional electrocatalytic properties are associated with the newly constructed active moiety Pt 1 O 2 Fe 1 N 4 , which protects Fe sites from harmful species. Density functional theory calculations reveal the synergy in the new active moiety, which promotes the proton adsorption and reduction kinetics. In addition, the grafted Pt 1 O 2  dangling bonds may boost the OER activity. This study paves a new way to improve and extend NPMCs electrocatalytic properties through a precisely single‐atom to single‐atom grafting strategy.
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