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Single Fe Atom on Hierarchically Porous S, N‐Codoped Nanocarbon Derived from Porphyra Enable Boosted Oxygen Catalysis for Rechargeable Zn‐Air Batteries

双功能 析氧 电催化剂 过电位 催化作用 电池(电) 材料科学 化学工程 纳米技术 电化学 无机化学 电极 化学 有机化学 物理化学 功率(物理) 物理 量子力学 工程类
作者
Jiting Zhang,Meng Zhang,Yan Zeng,Jisheng Chen,Lingxi Qiu,Hua Zhou,Cheng‐Jun Sun,Ying Yu,Chengzhou Zhu,Zhihong Zhu
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:15 (24) 被引量:345
标识
DOI:10.1002/smll.201900307
摘要

Abstract Iron–nitrogen–carbon materials (Fe–N–C) are known for their excellent oxygen reduction reaction (ORR) performance. Unfortunately, they generally show a laggard oxygen evolution reaction (OER) activity, which results in a lethargic charging performance in rechargeable Zn–air batteries. Here porous S‐doped Fe–N–C nanosheets are innovatively synthesized utilizing a scalable FeCl 3 ‐encapsulated‐porphyra precursor pyrolysis strategy. The obtained electrocatalyst exhibits ultrahigh ORR activity ( E 1/2 = 0.84 V vs reversible hydrogen electrode) and impressive OER performance ( E j = 10 = 1.64 V). The potential gap (Δ E = E j = 10 − E 1/2 ) is 0.80 V, outperforming that of most highly active bifunctional electrocatalysts reported to date. Furthermore, the key role of S involved in the atomically dispersed Fe–N x species on the enhanced ORR and OER activities is expounded for the first time by ultrasound‐assisted extraction of the exclusive S source (taurine) from porphyra. Moreover, the assembled rechargeable Zn–air battery comprising this bifunctional electrocatalyst exhibits higher power density (225.1 mW cm −2 ) and lower charging–discharging overpotential (1.00 V, 100 mA cm −2 compared to Pt/C + RuO 2 catalyst). The design strategy can expand the utilization of earth‐abundant biomaterial‐derived catalysts, and the mechanism investigations of S doping on the structure–activity relationship can inspire the progress of other functional electrocatalysts.
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