Microenvironment engineering of Fe-single-atomic-site with nitrogen coordination anchored on carbon nanotubes for boosting oxygen electrocatalysis in alkaline and acidic media

催化作用 碳纳米管 溶解 电催化剂 化学 密度泛函理论 甲醇 氮气 氧还原反应 化学工程 纳米技术 无机化学 材料科学 电化学 物理化学 计算化学 有机化学 电极 工程类
作者
Abba Bala Musa,Mohammad Tabish,Anuj Kumar,Manickam Selvaraj,Muhammad Abubaker Khan,Badria M. Al‐Shehri,Muhammad Arif,Muhammad Mushtaq,Shumaila Ibraheem,Y. Slimani,Saira Ajmal,Tuan Anh Nguyen,Ghulam Yasin
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier]
卷期号:451: 138684-138684 被引量:98
标识
DOI:10.1016/j.cej.2022.138684
摘要

Developing cost-effective and high-performance non-precious electrocatalysts for ORR in acidic and alkaline media is an urgent need for clean energy generation. A significant improvement in the ORR performance has been realized by the single-atom catalysts (SACs). However, activity deterioration caused by the dissolution of catalyst structure is still a lingering challenge. Herein, we report a simple strategy for protecting the structure of SAC by implanting/decorating Fe-ZIF-derived carbon nanotubes with Fe-N4, denoted as FeSA@CNTs. The as-developed FeSA@CNTs catalyst exhibits an outstanding ORR activity in an alkaline medium with onset potential (Eo) = 0.998 V and half-wave potential E1/2 = 0.898 V, which are 28 mV and 29 mV higher than commercial 20% Pt/C, respectively. Moreover, FeSA@CNTs in an acidic medium show an impressive high half-wave potential (E1/2 = 0.8290 V) comparable to Pt/C (E1/2 = 0.8292 V) which is better than most recently reported ORR catalysts. The density functional theory (DFT) validates that the smaller difference in the energy orbitals of Fe in Fe-N4 and O2 improved the electron transfer onto the reaction intermediate (OH*) in the rate-determining step, which provides the higher catalytic activity for FeSA@CNTs' in both acidic and alkaline media.
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