Tuning Charge Distribution of FeN4 via External N for Enhanced Oxygen Reduction Reaction

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作者
Yiyang Lin,Kang Liu,Kejun Chen,Yan Xu,Hongmei Li,Junhua Hu,Ying‐Rui Lu,Ting‐Shan Chan,Xiaoqing Qiu,Junwei Fu,H. Liu
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:11 (10): 6304-6315 被引量:134
标识
DOI:10.1021/acscatal.0c04966
摘要

Atomically dispersed FeN4 catalysts have been considered as potential materials to replace Pt-based catalysts for the oxygen reduction reaction (ORR), but they often suffer from sluggish O2 activation kinetics due to the symmetrical charge distribution. Herein, we introduce external N, including pyrrolic-N (PN) and graphitic-N (GN), as an electron acceptor near FeN4 to regulate its charge distribution and improve its ORR activity. Theoretical calculations reveal that introduction of PN evokes much enhanced electron redistribution and local electrical field on the Fe site compared with those observed with GN introduction and the pristine one. Synchrotron X-ray absorption spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy validate the positive charge accumulation of Fe in the FeN4 site induced by introducing PN. Thus, the obtained FeN4-PN exhibits a great performance for ORR in 0.1 M KOH with a remarkable half-wave potential of 0.91 V versus reversible hydrogen electrode, as well as a Tafel slope of 58 mV decade–1. This work provides a guide to improve the catalytic performances of single-atom catalysts by introducing charge-redistribution sites.
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