Designed Iron Single Atom Catalysts for Highly Efficient Oxygen Reduction Reaction in Alkaline and Acid Media

催化作用 石墨烯 材料科学 密度泛函理论 Atom(片上系统) 氧还原反应 化学工程 纳米技术 物理化学 计算化学 化学 有机化学 计算机科学 电极 工程类 嵌入式系统 电化学
作者
Shiyong Zhao,Lianji Zhang,Bernt Johannessen,Martin Saunders,Chang Liu,Shize Yang,San Ping Jiang
出处
期刊:Advanced Materials Interfaces [Wiley]
卷期号:8 (8) 被引量:19
标识
DOI:10.1002/admi.202001788
摘要

Abstract Single atom catalysts (SACs) have attracted much attentions due to their advantages of high catalysis efficiency and excellent selectivity. However, for industrial applications, synthesis of SACs in large and practical quantities is very important. The challenge is to develop synthesis methods with controllability and scalability. Herein, a well‐characterized and scalable method is demonstrated to synthesize atomically dispersed iron atoms coordinated with nitrogen on graphene, SAFe @ NG, with high atomic loading (≈4.6 wt%) through a one‐pot pyrolysis process. The method is scalable for the fabrication of Fe SACs with high quantities. The Fe–N–G catalyst exhibits high intrinsic oxygen reduction reaction (ORR) performance, reaching half potential of 0.876 and 0.702 V in alkaline and acidic solutions, respectively, with excellent microstructure stability. Furthermore, the density functional theory (DFT) simulation confirms that the Fe atoms in coordination with four nitrogen atoms, FeN4, in graphene is the active center for the 4‐electron ORR process. This work demonstrates an efficient design pathway for single atom catalysts as highly active and stable electrocatalysts for high‐performance ORR applications.
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