Tuning Fe Spin Moment in Fe–N–C Catalysts to Climb the Activity Volcano via a Local Geometric Distortion Strategy

催化作用 化学 结晶学 材料科学 有机化学
作者
Ruguang Wang,Lifu Zhang,Jieqiong Shan,Yuanyuan Yang,Jyh‐Fu Lee,Tsan‐Yao Chen,Jing Mao,Yang Zhao,Liujing Yang,Zhenpeng Hu,Tao Ling
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
卷期号:9 (31) 被引量:41
标识
DOI:10.1002/advs.202203917
摘要

As the most promising alternative to platinum-based catalysts for cathodic oxygen reduction reaction (ORR) in proton exchange membrane fuel cells, further performance enhancement of Fe-N-C catalysts is highly expected to promote their wide application. In Fe-N-C catalysts, the single Fe atom forms a square-planar configuration with four adjacent N atoms (D4h symmetry). Breaking the D4h symmetry of the FeN4 active center provides a new route to boost the activity of Fe-N-C catalysts. Herein, for the first time, the deformation of the square-planar coordination of FeN4 moiety achieved by introducing chalcogen oxygen groups (XO2 , X = S, Se, Te) as polar functional groups in the Fe-N-C catalyst is reported. The theoretical and experimental results demonstrate that breaking the D4h symmetry of FeN4 results in the rearrangement of Fe 3d electrons and increases spin moment of Fe centers. The efficient spin state manipulation optimizes the adsorption energetics of ORR intermediates, thereby significantly promoting the intrinsic ORR activity of Fe-N-C catalysts, among which the SeO2 modified catalyst lies around the peak of the ORR volcano plot. This work provides a new strategy to tune the local coordination and thus the electronic structure of single-atom catalysts.
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