Optimizing Microenvironment of Asymmetric N,S‐Coordinated Single‐Atom Fe via Axial Fifth Coordination toward Efficient Oxygen Electroreduction

催化作用 电催化剂 Atom(片上系统) 氧还原 纳米技术 化学 金属 材料科学 结晶学 物理化学 电极 计算机科学 电化学 有机化学 嵌入式系统
作者
Longbin Li,Senhe Huang,Rui Cao,Kai Yuan,Chenbao Lu,Bingyu Huang,Xiannong Tang,Ting Hu,Xiaodong Zhuang,Yiwang Chen
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:18 (2) 被引量:119
标识
DOI:10.1002/smll.202105387
摘要

Single-atom catalysts (SACs) are attractive candidates for oxygen reduction reaction (ORR). The catalytic performances of SACs are mainly determined by the surrounding microenvironment of single metal sites. Microenvironment engineering of SACs and understanding of the structure-activity relationship is critical, which remains challenging. Herein, a self-sacrificing strategy is developed to synthesize asymmetric N,S-coordinated single-atom Fe with axial fifth hydroxy (OH) coordination (Fe-N3 S1 OH) embedded in N,S codoped porous carbon nanospheres (FeN/SC). Such unique penta-coordination microenvironment is determined by cutting-edge techonologies aiding of systematic simulations. The as-obtained FeN/SC exhibits superior catalytic ORR activity, and showcases a half-wave potential of 0.882 V surpassing the benchmark Pt/C. Moreover, theoretical calculations confirmed the axial OH in FeN3 S1 OH can optimize 3d orbitals of Fe center to strengthen O2 adsorption and enhance O2 activation on Fe site, thus reducing the ORR barrier and accelerating ORR dynamics. Furthermore, FeN/SC containing H2 O2 fuel cell performs a high peak power density of 512 mW cm-2 , and FeN/SC based Znair batteries show the peak power density of 203 and 49 mW cm-2 in liquid and flexible all-solid-state configurations, respectively. This study offers a new platform for fundamentally understand the axial fifth coordination in asymmetrical planar single-atom metal sites for electrocatalysis.
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