热解是合成在酸中进行氧还原反应(ORR)的高活性Fe-N-C催化剂的必不可少的步骤，但Fe、N、C前驱体在热解过程中转化为ORR活性位点的过程仍不清楚，这一材料形成过程机理的欠缺使研究人员难以精确调控前驱体和产物之间的联系，为改进Fe-N-C催化剂的性能增加了难度。近日，美国东北大学的Qingying Jia和阿贡国家实验室的Deborah J. Myers等人合作，通过在不同温度下利用X射线吸收光谱揭示了前体到ORR活性催化剂的转变过程，该催化剂仅由单原子Fe1(II)-N₄位点组成。Fe前驱体在300℃以下转变为Fe氧化物，然后在600℃以下通过晶体-熔体转变形成四面体Fe₁(II)-O₄。在600℃以上，Fe₁(II)-O₄释放单个Fe原子扩散到N掺杂的碳缺陷中形成活性位点Fe₁(II)-N₄。这种气相单原子迁移机制通过“非接触热解”合成Fe₁(II)-N₄位点得到证实，其中Fe前驱体在热解过程中与N和C前驱体没有物理接触。该工作揭示了在热解过程中Fe、N、C前驱体转化为ORR活性位点的过程，有利于为高活性催化剂的设计提供指导。

Jingkun Li; Li Jiao; Evan Wegener; Lynne Larochelle Richard; Ershuai Liu; Andrea Zitolo; Moulay Tahar Sougrati; Sanjeev Mukerjee; Zipeng Zhao; Yu Huang; Fan Yang; Sichen Zhong; Hui Xu; A. Jeremy Kropf; Frédéric Jaouen; Deborah J. Myers; Qingying Jia. Evolution Pathway from Iron Compounds to Fe1(II)–N4 Sites through Gas-Phase Iron during Pyrolysis. Journal of the American Chemical Society, 2020.

DOI: 10.1021/jacs.9b11197

https://doi.org/10.1021/jacs.9b11197