Sulfuration of an Fe–N–C Catalyst Containing FexC/Fe Species to Enhance the Catalysis of Oxygen Reduction in Acidic Media and for Use in Flexible Zn–Air Batteries

催化作用 材料科学 氧还原反应 氧气 氧还原 化学工程 无机化学 纳米技术 核化学 化学 物理化学 有机化学 电极 电化学 工程类
作者
Yueyang Qiao,Pengfei Yuan,Yongfeng Hu,Jianan Zhang,Shichun Mu,Jihang Zhou,Hao Li,Huicong Xia,Jing He,Qun Xu
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:30 (46) 被引量:304
标识
DOI:10.1002/adma.201804504
摘要

During the preparation of atomically dispersed Fe-N-C catalysts, it is difficult to avoid the formation of iron-carbide-containing iron clusters ("Fex C/Fe"), along with the desired carbon matrix containing dispersed FeNx sites. As a result, an uncertain amount of the oxygen reduction reaction (ORR) occurs, making it difficult to maximize the catalytic efficiency. Herein, sulfuration is used to boost the activity of Fex C/Fe, forming an improved system, "FeNC-S-Fex C/Fe", for catalysis involving oxygen. Various spectroscopic techniques are used to define the composition of the active sites, which include Fe-S bonds at the interface of the now-S-doped carbon matrix and the Fex C/Fe clusters. In addition to outstanding activity in basic media, FeNC-S-Fex C/Fe exhibits improved ORR activity and durability in acidic media; its half-wave potential of 0.821 V outperforms the commercial Pt/C catalyst (20%), and its activity does not decay even after 10 000 cycles. Interestingly, the catalytic activity for the oxygen evolution reaction (OER) simultaneously improves. Thus, FeNC-S-Fex C/Fe can be used as a high-performance bifunctional catalyst in Zn-air batteries. Theoretical calculations and control experiments show that the original FeNx active centers are enhanced by the Fex C/Fe clusters and the Fe-S and C-S-C bonds.
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