摘要
Iron-based single-atom catalysts with nitrogen-doped carbon as support(Fe-SA/NPC)are considered effective alternatives to replace Pt-group metals for scalable application in fuel cells.However,synthesizing high-loading Fe-SA catalysts by a simple procedure remains challenging.Herein,we report a high-loading(7.5 wt%)Fe-SA/NPC catalyst prepared by carbon-assisted pyrolysis of metal complexes.Both the nitrogen-doped porous carbon(NPC)support with high specific surface area and ο-phenylenediamine(o-PD)play key roles role in the preparation of high-loading Fe-SA/NPC catalysts.The results of X-ray photoelectron spectroscopy,high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy,and X-ray absorption fine structure spectroscopy experiments show that the Fe atoms are anchored on the carbon carriers in a single-atom site configuration and coordinated with four of the doped nitrogen atoms of the carbon substrates(Fe-N_(4)).The activities of the Fe-SA/NPC catalysts in the oxygen reduction reaction increased with increasing iron loading.The optimized 250Fe-SA/NPC-800 catalyst exhibited an onset potential 0.97 V of and a half-wave potential of 0.85 V.Our study provides a simple approach for the large-scale synthesis of high-loading single-atom catalysts.
单原子催化剂凭借其超高的原子利用率及在某些反应中表现出的出色催化效果,被认为是最有前途的电催化剂之一,引起了研究人员的极大热情和兴趣.制备高金属含量的单原子催化剂是基础研究和实际应用的前提和关键.然而,由于原子表面自由能随着尺寸的减小而急剧增加,在制备和催化过程中,单原子催化剂的金属原子很容易聚集成团簇甚至颗粒,因此如何制备高负载量的单原子催化剂仍然是一个不小的挑战.在众多单原子催化剂中,非贵金属中铁基单原子被认为是燃料电池中的Pt催化剂的有效替代品.在燃料电池的核心反应–电化学氧还原反应中,Fe-N_(x)被证明是铁单原子催化剂中的主要活性中心.因此,为了获得更好的氧还原性能,提高铁单原子催化剂中Fe-N_(x)的含量就显得非常关键.前期已报道了一些关于制备高Fe含量的铁单原子催化剂材料的策略,例如空间限域策略和配位合成策略.其中卟啉和葡萄糖作为配位剂,双氰胺和三聚氰胺可热解成氮掺杂碳材料以捕获金属原子,形成M-N_(x).同时,具有高比表面积的富氧碳载体可以通过掺杂氮来作为固定金属原子的位点.我们开发了一种简单直接的方法,通过碳辅助金属配合物热解法制备高金属含量的Fe-N4单原子催化剂,即在最佳碳化温度800℃、三聚氰胺存在下对氮掺杂多孔碳辅助分散铁邻苯二胺配合物进行热解.在该方法中,氮掺杂多孔碳是一种具有丰富氮缺陷,高表面积(1267 m^(2)‧g^(–1))和良好分散性的多孔生物质碳材料.邻苯二胺作为含两个氨基的二齿配体,可以很容易地与过渡金属配位,形成稳定的平面四配位络合物.此外,由于在高温条件下过渡金属的催化作用,邻苯二胺也被用作氮掺杂碳的前体.因此,氮掺杂多孔碳和邻苯二胺是合成高金属含量铁单原子催化剂的关键前驱体.通过X射线光电子能谱,大角度环形�
基金
广东省自然科学基金(2018A0303130101).
