Double boosting single atom Fe–N4 sites for high efficiency O2 and CO2 electroreduction

密度泛函理论 电催化剂 催化作用 金属 材料科学 电化学 化学 Atom(片上系统) 化学工程 纳米技术 物理化学 计算化学 电极 有机化学 计算机科学 工程类 嵌入式系统
作者
Huijuan Yang,Xingpu Wang,Shengbao Wang,Pengyang Zhang,Xiao Chi,Hirbod Maleki Kheimeh Sari,Jihu Liu,Jingchun Jia,Bin Cao,Jian Qin,Wei Xiao,Zhi‐You Zhou,Xifei Li
出处
期刊:Carbon [Elsevier BV]
卷期号:182: 109-116 被引量:37
标识
DOI:10.1016/j.carbon.2021.05.038
摘要

Metal-N4 single-atom catalysts have emerged as the frontier of catalysis. However, the low metal loading and abundance of single atoms embedded in carbon skeleton hinder their practical application. Herein, we report an effective “trapping and exposing” strategy for constructing single-atom Fe–N4 catalysts with high density of single-atom active sites. The strategy involves the strong binding of metal ions to sucrose (trapping) to prevent the migration and agglomeration of Fe3+, followed by the introduction of a mesoporous structure using an SBA-15 template to achieve sufficient exposure of the Fe–N4 sites (exposing). The as-prepared catalyst comprises Fe–N4 moieties (10.8 wt%) with a hierarchical structure. Density functional theory calculations reveal that the chelating reaction between sucrose and Fe3+ ions has a low free energy, resulting in the formation of highly dispersed Fe–N4 single atoms. The single-atom catalyst displays a high peak power density of 0.784 W cm−2 in a H2–O2 proton exchange membrane fuel cell and achieves an impressive CO current density of 109 A g−1 at negligible overpotentials in a flow cell. This work provides an efficient strategy for designing high-performance single-atom catalysts for practical electrocatalysis applications.
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