Fabricating high-loading Fe-N4 single-atom catalysts for oxygen reduction reaction by carbon-assisted pyrolysis of metal complexes

催化作用 X射线光电子能谱 热解 金属 材料科学 扫描透射电子显微镜 无机化学 氮气 化学 碳纤维 化学工程 透射电子显微镜 纳米技术 冶金 复合数 有机化学 复合材料 工程类
作者
Junsheng Jiang,Helei Wei,Aidong Tan,Rui Si,Wei‐De Zhang,Yu‐Xiang Yu
出处
期刊:Chinese Journal of Catalysis [Elsevier BV]
卷期号:42 (5): 753-761 被引量:27
标识
DOI:10.1016/s1872-2067(20)63689-0
摘要

Iron-based single-atom catalysts with nitrogen-doped carbon as support (Fe-SA/NPC) are considered effective alternatives to replace Pt-group metals for scalable application in fuel cells. However, synthesizing high-loading Fe-SA catalysts by a simple procedure remains challenging. Herein, we report a high-loading (7.5 wt%) Fe-SA/NPC catalyst prepared by carbon-assisted pyrolysis of metal complexes. Both the nitrogen-doped porous carbon (NPC) support with high specific surface area and ο-phenylenediamine (o-PD) play key roles role in the preparation of high-loading Fe-SA/NPC catalysts. The results of X-ray photoelectron spectroscopy, high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy, and X-ray absorption fine structure spectroscopy experiments show that the Fe atoms are anchored on the carbon carriers in a single-atom site configuration and coordinated with four of the doped nitrogen atoms of the carbon substrates (Fe-N4). The activities of the Fe-SA/NPC catalysts in the oxygen reduction reaction increased with increasing iron loading. The optimized 250Fe-SA/NPC-800 catalyst exhibited an onset potential 0.97 V of and a half-wave potential of 0.85 V. Our study provides a simple approach for the large-scale synthesis of high-loading single-atom catalysts.
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