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尹鴿平/孔凡鵬Small:通過調(diào)節(jié)d帶中心在高度石墨化碳上構(gòu)建FeNx以實(shí)現(xiàn)高性能氧還原

尹鴿平/孔凡鵬Small:通過調(diào)節(jié)d帶中心在高度石墨化碳上構(gòu)建FeNx以實(shí)現(xiàn)高性能氧還原
Fe單原子和N共摻雜碳納米材料(Fe-N-C)是最有希望替代鉑族金屬的氧還原反應(yīng)(ORR)催化劑。然而高活性Fe單原子催化劑由于石墨化程度低,其穩(wěn)定性較差。
基于此,哈爾濱工業(yè)大學(xué)尹鴿平教授,孔凡鵬助理教授(共同通訊作者)等人報(bào)道了一種有效的相變策略,通過增加石墨化程度和引入石墨碳層包裹的Fe納米顆粒來提高Fe-N-C催化劑的穩(wěn)定性。
所制備的Fe@Fe-N-C催化劑在酸性介質(zhì)中具有良好的ORR活性(E1/2=0.829 V)和穩(wěn)定性(30K循環(huán)后損失19 mV)。
尹鴿平/孔凡鵬Small:通過調(diào)節(jié)d帶中心在高度石墨化碳上構(gòu)建FeNx以實(shí)現(xiàn)高性能氧還原
本文通過DFT計(jì)算研究了Fe@Fe-N-C的內(nèi)在優(yōu)越活性和穩(wěn)定性。投影態(tài)密度(PDOS)表明,F(xiàn)e@Fe-N-C催化劑中Fe單原子的d帶中心明顯轉(zhuǎn)移到更負(fù)的位置。
計(jì)算得出的Fe@Fe-N-C的d帶中心為-0.947 eV,比Fe-N-C的d帶中心低0.172 eV(-0.775 eV),這意味著部分占據(jù)的反鍵軌道和含氧中間體在Fe@Fe-N-C上的弱相互作用。
尹鴿平/孔凡鵬Small:通過調(diào)節(jié)d帶中心在高度石墨化碳上構(gòu)建FeNx以實(shí)現(xiàn)高性能氧還原
ORR的吉布斯自由能圖表明,F(xiàn)e納米顆粒的引入降低了*OH的脫附能,速率控制步驟從*OH的脫附轉(zhuǎn)變?yōu)?OH的形成。相對(duì)于FeN4 (0.77 eV)來說,F(xiàn)eN4@Fe15的ORR能壘大大降低至0.57 eV,從而促進(jìn)了ORR動(dòng)力學(xué)。
對(duì)于傳統(tǒng)的Fe-N-C催化劑,活性Fe原子對(duì)氧中間體的過度強(qiáng)吸附限制了催化劑的活性,而Fe@Fe-N-C催化劑通過降低d帶中心和中間體結(jié)合能避免了該缺點(diǎn)。
Architecting FeNx on High Graphitization Carbon for High-Performance Oxygen Reduction by Regulating d-Band Center. Small, 2023, DOI: 10.1002/smll.202300758.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202300758.

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