General Pyrolysis for High-Loading Transition Metal Single Atoms on 2D-Nitro-Oxygeneous Carbon as Efficient ORR Electrocatalysts

• DOI: 10.1021/acsami.3c18548
• Publication Date: 2024-02-17T18:42:35Z
• Authors: Teera Butburee; Jitprabhat Ponchai; Pongtanawat Khemt...; Poobodin Mano; Pongkarn Chakthra...; Saran Youngjan; Jakkapop Phanthasri; Supawadee Namuangruk; Kajornsak Faungna...; Xingya Wang; Yu Chen; Lijuan Zhang
• Keywords: Composite material; Electrode; Materials Science; Organic chemistry; Combinatorial chemistry; Catalysis; Engineering; Chemical engineering; Materials Chemistry; FOS: Electrical engineering, electronic engineering, information engineering; Carbon fibers; Electrochemistry; Nanotechnology; Electrical and Electronic Engineering; Metal-Organic Frameworks; FOS: Chemical engineering; Alkyl; Tafel equation; FOS: Nanotechnology; Energy; Renewable Energy, Sustainability and the Environment; Metal; Physics; Nitro; Composite number; Transition metal; Optics; Materials science; Dispersion (optics); Catalytic Nanomaterials; Chemistry; Physical chemistry; Lithium-ion Battery Technology; Physical Sciences; Metallurgy; Electrocatalysis for Energy Conversion; Pyrolysis

Les catalyseurs à atome unique (CAS) possèdent le potentiel d'impliquer les mérites des catalyseurs homogènes et hétérogènes et ont donc attiré une attention considérable. Cependant, la synthèse à grande échelle de sac avec de riches sites isolat-métal par des stratégies simples et peu coûteuses est restée difficile. Dans ce travail, nous rapportons une pyrolyse facile en une étape qui produit automatiquement des sac à charge métallique élevée (5,2-15,9 % en poids) supportés sur du carbone nitro-oxygéné bidimensionnel (M1-2D-NOC) sans utiliser de solvants ni de gabarits sacrificiels. La méthode est également générique pour divers métaux de transition et peut être mise à l'échelle jusqu'à plusieurs grammes en fonction de la capacité des conteneurs et des fours. La forte densité de sites actifs à géométrie de coordination N/O leur confère des activités catalytiques et une stabilité impressionnantes, comme le démontre la réaction de réduction de l'oxygène (tro). Par exemple, Fe1-2D-NOC présente un potentiel d'apparition de 0,985 V vs RHE, un potentiel demi-onde de 0,826 V et une pente de Tafel de − 40,860 mV/déc. En combinant les études théoriques et expérimentales, on pourrait attribuer à l'activité ORR élevée sa structure FeO-N3O unique, qui facilite un transfert de charge efficace entre la surface et les intermédiaires le long de la réaction, et une dispersion uniforme de ce site actif sur des supports nanocarbonés 2D minces qui maximisent l'exposition aux réactifs.<br/>Single-atom catalysts (SACs) possess the potential to involve the merits of both homogeneous and heterogeneous catalysts altogether and thus have gained considerable attention. However, the large-scale synthesis of SACs with rich isolate-metal sites by simple and low-cost strategies has remained challenging. In this work, we report a facile one-step pyrolysis that automatically produces SACs with high metal loading (5.2–15.9 wt %) supported on two-dimensional nitro-oxygenated carbon (M1-2D-NOC) without using any solvents and sacrificial templates. The method is also generic to various transition metals and can be scaled up to several grams based on the capacity of the containers and furnaces. The high density of active sites with N/O coordination geometry endows them with impressive catalytic activities and stability, as demonstrated in the oxygen reduction reaction (ORR). For example, Fe1-2D-NOC exhibits an onset potential of 0.985 V vs RHE, a half-wave potential of 0.826 V, and a Tafel slope of −40.860 mV/dec. Combining the theoretical and experimental studies, the high ORR activity could be attributed its unique FeO-N3O structure, which facilitates effective charge transfer between the surface and the intermediates along the reaction, and uniform dispersion of this active site on thin 2D nanocarbon supports that maximize the exposure to the reactants.<br/>تمتلك المحفزات أحادية الذرة (SACs) القدرة على إشراك مزايا كل من المحفزات المتجانسة وغير المتجانسة تمامًا، وبالتالي اكتسبت اهتمامًا كبيرًا. ومع ذلك، فإن التوليف واسع النطاق لـ SACs مع مواقع معدنية معزولة غنية من خلال استراتيجيات بسيطة ومنخفضة التكلفة ظل يمثل تحديًا. في هذا العمل، نبلغ عن تحلل حراري سهل من خطوة واحدة ينتج تلقائيًا SACs مع تحميل معدني عالي (5.2-15.9 ٪ بالوزن) مدعوم على الكربون ثنائي الأبعاد المؤكسد بالنيترو (M1 -2D - NOC) دون استخدام أي مذيبات وقوالب ذبيحة. هذه الطريقة عامة أيضًا لمختلف المعادن الانتقالية ويمكن زيادتها إلى عدة غرامات بناءً على سعة الحاويات والأفران. إن الكثافة العالية للمواقع النشطة مع هندسة تنسيق N/O تمنحها أنشطة حفازة واستقرار مثيرين للإعجاب، كما هو موضح في تفاعل تقليل الأكسجين (ORR). على سبيل المثال، يُظهر Fe1 -2D - NOC إمكانات بداية تبلغ 0.985 فولت مقابل RHE، وإمكانات نصف موجة تبلغ 0.826 فولت، ومنحدر Tafel يبلغ -40.860 مللي فولت/ديسمبر. من خلال الجمع بين الدراسات النظرية والتجريبية، يمكن أن يعزى نشاط ORR المرتفع إلى هيكله الفريد FeO - N3O، مما يسهل نقل الشحنة الفعال بين السطح والمواد الوسيطة على طول التفاعل، والتشتت المنتظم لهذا الموقع النشط على دعامات رقيقة من الكربون النانوي ثنائي الأبعاد تزيد من التعرض للمواد المتفاعلة.<br/>Los catalizadores de un solo átomo (SAC) poseen el potencial de involucrar los méritos de los catalizadores homogéneos y heterogéneos por completo y, por lo tanto, han ganado una atención considerable. Sin embargo, la síntesis a gran escala de SAC con sitios ricos en metales aislados mediante estrategias simples y de bajo costo ha seguido siendo un desafío. En este trabajo, informamos una pirólisis fácil de un solo paso que produce automáticamente SAC con alta carga de metal (5.2-15.9% en peso) soportada en carbono nitrooxigenado bidimensional (M1-2D-NOC) sin usar solventes ni plantillas de sacrificio. El método también es genérico para varios metales de transición y se puede escalar hasta varios gramos en función de la capacidad de los contenedores y hornos. La alta densidad de sitios activos con geometría de coordinación N/O los dota de impresionantes actividades catalíticas y estabilidad, como se demuestra en la reacción de reducción de oxígeno (ORR). Por ejemplo, Fe1-2D-NOC exhibe un potencial de inicio de 0.985 V frente a RHE, un potencial de media onda de 0.826 V y una pendiente de Tafel de -40.860 mV/dec. Combinando los estudios teóricos y experimentales, la alta actividad de ORR podría atribuirse a su estructura única de FeO-N3O, que facilita la transferencia de carga efectiva entre la superficie y los intermedios a lo largo de la reacción, y la dispersión uniforme de este sitio activo en soportes de nanocarbono 2D delgados que maximizan la exposición a los reactivos.<br/>