Probing the Oxygen Reduction Reaction Intermediates and Dynamic Active Site Structures of Molecular and Pyrolyzed Fe–N–C Electrocatalysts by In Situ Raman Spectroscopy

电催化剂 拉曼光谱 氧还原反应 原位 催化作用 化学 热解 反应中间体 光化学 活动站点 组合化学 无机化学 电化学 有机化学 物理化学 电极 物理 光学
作者
Jie Wei,Dongsheng Xia,Yinping Wei,Xuya Zhu,Jia Li,Lin Gan
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:12 (13): 7811-7820 被引量:237
标识
DOI:10.1021/acscatal.2c00771
摘要

While FeN4 species are widely suggested as the active sites of noble-metal-free Fe–N–C oxygen reduction reaction (ORR) electrocatalysts, the ORR mechanism, particularly the rate-determining steps (RDSs) at the Fe centers, and the likely contribution of co-existed C–N active site remain disputed. Moreover, the dynamic structures of the FeN4 active sites during ORR electrocatalysis also remain elusive. By in situ (isotope-labeled) Raman spectroscopy of molecular Fe phthalocyanine (FePc) model catalysts and pyrolyzed Fe–N–C catalysts, we achieve direct, simultaneous spectral identification of the ORR intermediates/RDSs at different active sites under different pH conditions, from which their intrinsic activities and ORR mechanisms can be quantitatively decoupled. Besides the single-atomic Fe–Nx site, two kinds of C–N sites were pinpointed and clarified as separate active sites in pyrolyzed Fe–N–C catalysts, showing different ORR intermediates (*O2– and *OOH) and RDSs. Furthermore, from the FePc model catalyst, we reveal a pH-dependent structural switching of the FeN4 between planar and non-planar structures during ORR electrocatalysis, which provides important insights into their pH-dependent ORR activity (RDS) and stability.
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