Edge-Site Engineering of Atomically Dispersed Fe–N4 by Selective C–N Bond Cleavage for Enhanced Oxygen Reduction Reaction Activities

化学 催化作用 键裂 介孔材料 劈理(地质) Atom(片上系统) 多孔性 氧还原 氧原子 氧还原反应 碳纤维 纳米技术 氧气 物理化学 分子 有机化学 材料科学 电化学 复合材料 嵌入式系统 复合数 断裂(地质) 计算机科学 电极
作者
Rui Jiang,Li Li,Tian Sheng,Gaofei Hu,Yueguang Chen,Leyu Wang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:140 (37): 11594-11598 被引量:753
标识
DOI:10.1021/jacs.8b07294
摘要

Single-atom metal-nitrogen-carbon (M-N-C) catalysts have sparked intense interests, but the catalytic contribution of N-bonding environment neighboring M-N4 sites lacks attention. Herein, a series of Fe-N-C nanoarchitectures have been prepared, which confer adjustable numbers of atomically dispersed Fe-N4 sites, tunable hierarchical micro-mesoporous structures and intensified exposure of interior active sites. The optimization between Fe-N4 single sites and carbon matrix delivers superior oxygen reduction reaction activity (half-wave potential of 0.915 V vs RHE in alkaline medium) with remarkable stability and high atom-utilization efficiency (almost 10-fold enhancement). Both experiments and theoretical calculations verified the selective C-N bond cleavage adjacent to Fe center induced by porosity engineering could form edge-hosted Fe-N4 moieties, and therefore lower the overall oxygen reduction reaction barriers comparing to intact atomic configuration. These findings provide a new pathway for the integrated engineering of geometric and electronic structures of single-atom materials to improve their catalytic performance.
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