Achieving pH-universal oxygen electrolysis via synergistic density and coordination tuning over biomass-derived Fe single-atom catalyst

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作者
Wei Guo,Meiling Pan,Qianjie Xie,Hua Fan,Laihao Luo,Qun Jing,Yehua Shen,Yan Yan,Mingkai Liu,Zheng Wang
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:16 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-025-58297-1
摘要

Renewable biomass serves as a cost-effective source of carbon matrix to carry single-atom catalysts (SACs). However, the natural abundant oxygen in these materials hinders the sufficient dispersion of element with high oxygen affinity such iron (Fe). The lowered-density and oxidized SACs greatly limits their catalytic applications. Here we develop a facile continuous activation (CA) approach for synthesizing robust biomass-derived Fe-SACs. Comparing to the traditional pyrolysis method, the CA approach significantly increases the Fe loading density from 1.13 atoms nm−2 to 4.70 atoms nm−2. Simultaneously, the CA approach induces a distinct coordination tuning from dominated Fe-O to Fe-N moieties. We observe a pH-universal oxygen reduction reaction (ORR) performance over the CA-derived Fe-SACs with a half-wave potential of 0.93 V and 0.78 V vs. RHE in alkaline and acidic electrolyte, respectively. Density functional theory calculations further reveal that the increased Fe-N coordination effectively reduces the energy barriers for the ORR, thus enhancing the catalytic activity. The Fe-SACs-based zinc-air batteries show a specific capacity of 792 mA·h·gZn−1 and ultra-long life span of over 650 h at 5 mA cm−2. Developing efficient single-atom catalysts for clean energy technologies is still challenging. Here, the authors report a facile method to increase the density and tune the coordination of iron atom loaded in single-atom catalysts that boosts the activity for pH-universal oxygen electrolysis.
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