Iron tuning electronic structure of nano-TiN embedded in carbon nanofibers as efficient single-atom catalyst for oxygen reduction reaction

催化作用 材料科学 碳纤维 热稳定性 反键分子轨道 碳纳米纤维 兴奋剂 化学工程 无机化学 化学 冶金 复合材料 有机化学 电子 工程类 物理 原子轨道 复合数 量子力学 光电子学
作者
Guohao Zhu,Ze Li,Hao Guo,Guangchao Li,Youbin Zheng,Xin Liu,Haijun Pan,Liang Dong,Jianbing Zang,Shaopei Jia
出处
期刊:Journal of Alloys and Compounds [Elsevier]
卷期号:979: 173604-173604 被引量:1
标识
DOI:10.1016/j.jallcom.2024.173604
摘要

Despite having a similar electronic structure to Pt, TiN exhibits poor catalytic activity for oxygen reduction reaction (ORR). Doping transition metal (M) atoms into TiN can enhance its ORR catalytic activity by creating MNx structures similar to those found in M and N codoped carbon materials. Notably, TiN demonstrates better stability than carbon materials. Herein, a hybrid of M-doped TiN and N-doped carbon nanofibers (M-TiN/NCNFs) was prepared via electrospinning followed by thermal treatment. Among the prepared M-TiN/NCNFs, Fe-TiN/NCNFs exhibited the highest ORR catalytic activity and excellent stability. The FeN5 structure in Fe-TiN/NCNFs was identified as the active site. Density functional theory calculations indicated the moderate interaction between Fe and O (Fe–O bond) is a key factor for the optimal ORR catalytic activity of Fe-TiN/NCNFs. The number of antibonding electrons in molecular orbital of M–O bond can serve as a descriptor for distinguishing the ORR catalytic activities of M-TiN/NCNFs.

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