Steering Local Electronic Configuration of Fe–N–C‐Based Coupling Catalysts via Ligand Engineering for Efficient Oxygen Electroreduction

材料科学 催化作用 配体(生物化学) 纳米颗粒 电子结构 硫黄 氧气 氧还原反应 化学工程 再分配(选举) 电子转移 联轴节(管道) 组合化学 密度泛函理论 化学物理 纳米技术 电极 电子组态 碳纤维 电子效应 动力学 催化效率 偶联反应 化学稳定性 活动站点 电催化剂 设计要素和原则
作者
Judan Chen,Bingyu Huang,Rui Cao,Longbin Li,Xiannong Tang,Bing Wu,Yonggan Wu,Ting Hu,Kai Yuan,Yiwang Chen
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:33 (4) 被引量:91
标识
DOI:10.1002/adfm.202209315
摘要

Abstract Fe–N–C materials are prospective candidates to displace platinum‐group‐based oxygen reduction reaction (ORR) catalysts, but their application is still impeded by the conundrums of unsatisfactory activity and stability. Herein, a feasible strategy of ligand engineering of the metal‐organic framework is proposed to steer the local electronic configuration of Fe–N–C‐based coupling catalysts by incorporating engineered sulfur functionalities. The obtained catalysts with rich Fe‐N 4 sites and FeS nanoparticles are embedded on N/S‐doped carbon (denoted as FeS/FeNSC). In this unique structure, the engineered FeS nanoparticles and oxidized sulfur synergistically induce electron redistribution and modulate electronic configuration of Fe‐N 4 sites, contributing to substantially accelerated kinetics and improved activity. Consequently, the optimized FeS/FeNSC catalyst displays outstanding ORR performance with a half‐wave potential of 0.91 V, better four electron pathway selectivity, lower H 2 O 2 yield, and superior long‐term stability. As a proof‐of‐concept, zinc‐air batteries based on FeS/FeNSC deliver high capacity of 807.54 mA h g −1 , a remarkable peak power density of 256.06 mW cm −2 , and outstanding cycling stability over 600 h at 20 mA cm −2 . This study delivers an efficacious approach to manipulate the electronic configuration of Fe–N–C catalysts toward elevated catalytic activity and stability for various energy conversion/storage devices.
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