What is the Real Origin of the Activity of Fe–N–C Electrocatalysts in the O2 Reduction Reaction? Critical Roles of Coordinating Pyrrolic N and Axially Adsorbing Species

化学 还原(数学) 组合化学 氧化还原 溶剂 合理设计 氧还原反应 氧还原 催化作用 无机化学 电化学 纳米技术 有机化学 物理化学 电极 几何学 材料科学 数学
作者
Xu Hu,Suya Chen,Letian Chen,Yun Tian,Sai Yao,Zhengyu Lu,Xu Zhang,Zhen Zhou
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (39): 18144-18152 被引量:262
标识
DOI:10.1021/jacs.2c08743
摘要

Fe-N-C electrocatalysts have emerged as promising substitutes for Pt-based catalysts for the oxygen reduction reaction (ORR). However, their real catalytic active site is still under debate. The underlying roles of different types of coordinating N including pyridinic and pyrrolic N in catalytic performance require thorough clarification. In addition, how to understand the pH-dependent activity of Fe-N-C catalysts is another urgent issue. Herein, we comprehensively studied 13 different N-coordinated FeNxC configurations and their corresponding ORR activity through simulations which mimic the realistic electrocatalytic environment on the basis of constant-potential implicit solvent models. We demonstrate that coordinating pyrrolic N contributes to a higher activity than pyridinic N, and pyrrolic FeN4C exhibits the highest activity in acidic media. Meanwhile, the in situ active site transformation to *O-FeN4C and *OH-FeN4C clarifies the origin of the higher activity of Fe-N-C in alkaline media. These findings can provide indispensable guidelines for rational design of better durable Fe-N-C catalysts.
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