Rapid Synthesis and Microenvironment Optimization of Hierarchical Porous Fe─N─C Catalysts for Enhanced ORR in Microbial Fuel Cells

催化作用 沸石咪唑盐骨架 产量(工程) 化学工程 咪唑酯 吸附 多孔性 材料科学 化学 热解 纳米技术 无机化学 金属有机骨架 物理化学 有机化学 冶金 工程类
作者
Bolong Jiang,Nan Jiang,Yanyan Cui,Huan Wang,Geng Zhang,Jiayou Li,Yuhan Zhang
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
卷期号:11 (31): e2402610-e2402610 被引量:18
标识
DOI:10.1002/advs.202402610
摘要

Abstract Here, an approach to produce a hierarchical porous Fe‐N‐C@TABOH catalyst with densely accessible high intrinsic active FeN x sites is proposed. The method involves a single‐step pyrolysis of Zn/Fe‐zeolitic imidazolate framework (Zn/Fe‐ZIF‐H) with tetrabutylammonium hydroxide (TABOH) micelles, which is obtained by utilizing TABOH as a structural template and electronic mediator at room temperature for a brief duration of 16 min. Notably, the yield of Zn/Fe‐ZIF‐H is 3.5 times that of Zn/Fe‐ZIF‐N prepared by conventional method. Results indicate that in addition to expediting synthesis and increasing yield of the Zn/Fe‐ZIF‐H, the TABOH induces a hierarchical porous structure and fosters the formation of more and higher intrinsic active FeN x moieties in Fe x ‐N‐C@TABOH, showing that TABOH is a multifunctional template. Crucially, the increased mesoporosity/external surface area and optimized microenvironment of Fe‐N‐C@TABOH significantly enhance ORR activity by facilitating the formation of high intrinsic active FeN x sites, increasing accessible FeN x sites, and reducing mass transfer resistance. Through structure tailoring and microenvironment optimization, the resulting Fe‐N‐C@TABOH exhibits superior ORR performance. DFT calculation further validates that the synergistic effect of these two factors leads to low ORR barrier and optimized * OH adsorption energy. This study underscores the importance of structure and electronic engineering in the development of highly active ORR catalysts.
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