Single-atomic iron-nitrogen 2D MOF-originated hierarchically porous carbon catalysts for enhanced oxygen reduction reaction

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作者
Shun Wu,Huibin Liu,Guangyu Lei,Hongwei He,Jiawen Wu,Guoliang Zhang,Fengbao Zhang,Wenchao Peng,Xiaobin Fan,Yang Li
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier]
卷期号:441: 135849-135849 被引量:47
标识
DOI:10.1016/j.cej.2022.135849
摘要

The requirement of sustainable energy is of great significance for easing the energy shortage crisis, in which the oxygen reduction reaction (ORR) in metal-air batteries and fuel cells plays a crucial role in efficient energy conversion. The development of noble-metal-free, efficient, and stable ORR electrocatalysts is highly desirable but remains a significant challenge. Herein, we report an atomically dispersed Fe and N co-doped hierarchically porous carbon (Fe-SA/HPC) catalyst derived from two-dimensional leaf-like ZIF-L with preeminent ORR activity. The Fe-SA/HPC catalyst, benefitting from hierarchically porous structure and rich highly-dispersed active sites of FeNx, put up ORR performance with a half-wave potential (E1/2) of 0.91 V vs. the reversible hydrogen electrode (RHE) in 0.1 M KOH electrolyte. The current density with a 0.382 mg cm−2 loading of catalyst in a rotating disk electrode (RDE) test can reach 24.65 mA cm−2 at 0.8 V, which is nearly twice that of commercial 20 wt% Pt/C. Density functional theory calculations demonstrate that the co-regulation of defects and graphitic nitrogen can optimize the local electronic redistribution for active sites and endow them with a lower free-energy barrier towards the ORR. This work provides certain inspiration for the development of highly reactive atomic metal catalysts through rational topology structure engineering and nitrogen moiety regulation.
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