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Inducing Fe 3d Electron Delocalization and Spin-State Transition of FeN4 Species Boosts Oxygen Reduction Reaction for Wearable Zinc–Air Battery

催化作用 离域电子 吸附 动力学 过渡金属 化学 材料科学 无机化学 物理化学 物理 生物化学 量子力学 有机化学
作者
Shengmei Chen,Xiongyi Liang,Sixia Hu,Xinliang Li,Guobin Zhang,Shuyun Wang,Longtao Ma,Chi‐Man Lawrence Wu,Chunyi Zhi,Juan Antonio Zapien
出处
期刊:Nano-micro Letters [Springer Science+Business Media]
卷期号:15 (1) 被引量:31
标识
DOI:10.1007/s40820-023-01014-8
摘要

Transition metal-nitrogen-carbon materials (M-N-Cs), particularly Fe-N-Cs, have been found to be electroactive for accelerating oxygen reduction reaction (ORR) kinetics. Although substantial efforts have been devoted to design Fe-N-Cs with increased active species content, surface area, and electronic conductivity, their performance is still far from satisfactory. Hitherto, there is limited research about regulation on the electronic spin states of Fe centers for Fe-N-Cs electrocatalysts to improve their catalytic performance. Here, we introduce Ti3C2 MXene with sulfur terminals to regulate the electronic configuration of FeN4 species and dramatically enhance catalytic activity toward ORR. The MXene with sulfur terminals induce the spin-state transition of FeN4 species and Fe 3d electron delocalization with d band center upshift, enabling the Fe(II) ions to bind oxygen in the end-on adsorption mode favorable to initiate the reduction of oxygen and boosting oxygen-containing groups adsorption on FeN4 species and ORR kinetics. The resulting FeN4-Ti3C2Sx exhibits comparable catalytic performance to those of commercial Pt-C. The developed wearable ZABs using FeN4-Ti3C2Sx also exhibit fast kinetics and excellent stability. This study confirms that regulation of the electronic structure of active species via coupling with their support can be a major contributor to enhance their catalytic activity.

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