Dynamically Unveiling Metal–Nitrogen Coordination during Thermal Activation to Design High‐Efficient Atomically Dispersed CoN4 Active Sites

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作者
Yanghua He,Qiurong Shi,Weitao Shan,Xing Li,A. Jeremy Kropf,Evan C. Wegener,Joshua Wright,S. Karakalos,Dong Su,David A. Cullen,Guofeng Wang,Deborah J. Myers,Gang Wu
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:60 (17): 9516-9526 被引量:187
标识
DOI:10.1002/anie.202017288
摘要

We elucidate the structural evolution of CoN4 sites during thermal activation by developing a zeolitic imidazolate framework (ZIF)-8-derived carbon host as an ideal model for Co2+ ion adsorption. Subsequent in situ X-ray absorption spectroscopy analysis can dynamically track the conversion from inactive Co-OH and Co-O species into active CoN4 sites. The critical transition occurs at 700 °C and becomes optimal at 900 °C, generating the highest intrinsic activity and four-electron selectivity for the oxygen reduction reaction (ORR). DFT calculations elucidate that the ORR is kinetically favored by the thermal-induced compressive strain of Co-N bonds in CoN4 active sites formed at 900 °C. Further, we developed a two-step (i.e., Co ion doping and adsorption) Co-N-C catalyst with increased CoN4 site density and optimized porosity for mass transport, and demonstrated its outstanding fuel cell performance and durability.
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