Resumen
- Atomically dispersed metal catalysts anchored on nitrogen-doped (N-doped) carbons demand attention due to their superior catalytic activity relative to that of metal nanoparticle catalysts in energy storage and conversion processes. Herein, we introduce a simple and versatile strategy for the synthesis of hollow N-doped carbon capsules that contain one or more atomically dispersed metals (denoted as H–M–Nx–C and H–Mmix–Nx–C, respectively, where M = Fe, Co, or Ni). This method utilizes the pyrolysis of nanostructured core–shell precursors produced by coating a zeolitic imidazolate framework core with a metal–tannic acid (M–TA) coordination polymer shell (containing up to three different metal cations). Pyrolysis of these core–shell precursors affords hollow N-doped carbon capsules containing monometal sites (e.g., Fe–Nx, CoNx, or Ni–Nx) or multimetal sites (Fe/Co–Nx, Fe/Ni–Nx, Co/Ni–Nx, or Fe/Co/Ni–Nx). This inventory allowed exploration of the relationship between catalyst composition and electrochemical activity for the oxygen reduction reaction (ORR) in acidic solution. H–Fe–Nx–C, H–Co–Nx–C, H–FeCo–Nx–C, H–FeNi–Nx–C, and H–FeCoNi–Nx–C were particularly efficient ORR catalysts in acidic solution. Furthermore, the H–Fe–Nx–C catalyst exhibited outstanding initial performance when applied as a cathode material in a proton exchange membrane fuel cell. The synthetic methodology introduced here thus provides a convenient route for developing next-generation catalysts based on earth-abundant components.
- Los catalizadores metálicos dispersos atómicamente anclados sobre carbonos dopados con nitrógeno (N-doped) atraen atención debido a su actividad catalítica superior en comparación con los catalizadores de nanopartículas metálicas en procesos de almacenamiento y conversión de energía. En este trabajo, presentamos una estrategia simple y versátil para la síntesis de cápsulas huecas de carbono dopado con nitrógeno que contienen uno o más metales dispersos atómicamente (denotadas como H–M–Nx–C y H–Mmix–Nx–C, respectivamente, donde M = Fe, Co o Ni).Este método se basa en la pirólisis de precursores nanoestructurados tipo núcleo–cáscara, producidos mediante el recubrimiento de un núcleo de estructura tipo ZIF (zeolitic imidazolate framework) con una cáscara de polímero de coordinación metal–ácido tánico (M–TA), que puede contener hasta tres cationes metálicos distintos. La pirólisis de estos precursores núcleo–cáscara da lugar a cápsulas huecas de carbono dopado con nitrógeno que contienen sitios mono-metálicos (por ejemplo, Fe–Nx, Co–Nx o Ni–Nx) o multimetálicos (Fe/Co–Nx, Fe/Ni–Nx, Co/Ni–Nx o Fe/Co/Ni–Nx).Este conjunto permitió explorar la relación entre la composición del catalizador y la actividad electroquímica para la reacción de reducción de oxígeno (ORR) en solución ácida. Los catalizadores H–Fe–Nx–C, H–Co–Nx–C, H–FeCo–Nx–C, H–FeNi–Nx–C y H–FeCoNi–Nx–C demostraron ser particularmente eficientes en dicha reacción. Además, el catalizador H–Fe–Nx–C mostró un rendimiento inicial sobresaliente cuando se utilizó como material de cátodo en una celda de combustible con membrana de intercambio protónico.La metodología de síntesis presentada aquí ofrece, por tanto, una vía conveniente para el desarrollo de catalizadores de nueva generación basados en componentes abundantes en la Tierra.