A General Method for Transition Metal Single Atoms Anchored on Honeycomb‐Like Nitrogen‐Doped Carbon Nanosheets

材料科学 蜂巢 过渡金属 氮气 碳纤维 金属 催化作用 蜂窝结构 兴奋剂 无机化学 纳米技术 化学工程 化学 光电子学 有机化学 复合材料 复合数 冶金 工程类
作者
Xiaoyan Zhang,Shan Zhang,Yong Yang,Liguang Wang,Zijie Mu,Haishuang Zhu,Xiaoqing Zhu,Huanhuan Xing,Hongyin Xia,Bolong Huang,Jing Li,Shaojun Guo,Erkang Wang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:32 (10) 被引量:233
标识
DOI:10.1002/adma.201906905
摘要

Excavating and developing highly efficient and cost-effective nonnoble metal single-atom catalysts for electrocatalytic reactions is of paramount significance but still in its infancy. Herein, reported is a general NaCl template-assisted strategy for rationally designing and preparing a series of isolated transition metal single atoms (Fe/Co/Ni) anchored on honeycomb-like nitrogen-doped carbon matrix (M1 -HNC-T1 -T2 , M = Fe/Co/Ni, T1 = 500 °C, T2 = 850 °C). The resulting M1 -HNC-500-850 with M-N4 active sites exhibits superior capability for oxygen reduction reaction (ORR) with the half-wave potential order of Fe1 -HNC-500-850 > Co1 -HNC-500-850 > Ni1 -HNC-500-850, in which Fe1 -HNC-500-850 shows better performance than commercial Pt/C. Density functional theory calculations reveal a choice strategy that the strong p-d-coupled spatial charge separation results the Fe-N4 effectively merges active electrons for elevating d-band activity in a van-Hove singularity like character. This essentially generalizes an optimal electronic exchange-and-transfer (ExT) capability for boosting sluggish alkaline ORR activity. This work not only presents a universal strategy for preparing single-atom electrocatalyst to accelerate the kinetics of cathodic ORR but also provides an insight into the relationship between the electronic structure and the electrocatalytical activity.
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