Architecting FeNx on High Graphitization Carbon for High‐Performance Oxygen Reduction by Regulating d‐Band Center

催化作用 材料科学 碳纤维 纳米颗粒 纳米材料 纳米技术 密度泛函理论 化学工程 过渡金属 化学 复合数 计算化学 有机化学 复合材料 工程类
作者
Lingfeng Li,Yandi Wen,Guokang Han,Fanpeng Kong,Lei Du,Yulin Ma,Pengjian Zuo,Chunyu Du,Geping Yin
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:19 (22) 被引量:13
标识
DOI:10.1002/smll.202300758
摘要

Fe single atoms and N co-doped carbon nanomaterials (Fe-N-C) are the most promising oxygen reduction reaction (ORR) catalysts to replace platinum group metals. However, high-activity Fe single-atom catalysts suffer from poor stability owing to the low graphitization degree. Here, an effective phase-transition strategy is reported to enhance the stability of Fe-N-C catalysts by inducing increased degree of graphitization and incorporation of Fe nanoparticles encapsulated by graphitic carbon layer without sacrificing activity. Remarkably, the resulted Fe@Fe-N-C catalysts achieved excellent ORR activity (E1/2 = 0.829 V) and stability (19 mV loss after 30K cycles) in acid media. Density functional theory (DFT) calculations agree with experimental phenomena that additional Fe nanoparticles not only favor to the activation of O2 by tailoring d-band center position but also inhibit the demetallization of Fe active center from FeN4 sites. This work provides a new insight into the rational design of highly efficient and durable Fe-N-C catalysts for ORR.
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