Boosting Oxygen Reduction Reaction via N, S-Doped Carbon Shell-Encapsulated Fe5C2: Leveraging Lateral and Axial Synergy

催化作用 电催化剂 纳米颗粒 材料科学 碳纤维 热解 化学工程 化学 密度泛函理论 纳米技术 物理化学 复合材料 有机化学 计算化学 电化学 工程类 复合数 电极
作者
Lang Xiao,Wanqing Yu,Jing Liu,Shankui Luan,Shengchang Li,Xuejing Cui,Luhua Jiang
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:12 (11): 4709-4717 被引量:8
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.4c00286
摘要

Herein, a novel oxygen reduction reaction (ORR) electrocatalyst, consisting of an N,S-codoped carbon shell encapsulating Fe5C2 nanoparticles, is developed through self-assembled supramolecular structures and controlled pyrolysis. The resulting Fe5C2@SNC catalyst exhibits exceptional electrocatalytic performance, with a high half-wave potential (E1/2) of 0.86 V, comparable to that of commercial Pt/C. The distinctive core–shell structure contributes to excellent stability, demonstrating an 89% current maintenance after 20 h of continuous chronoamperometry testing. In Zn-air battery applications, the catalyst achieved a peak power density of 222 mW cm–2, surpassing that of its Pt/C counterpart. Combining the experiments and density functional theory calculations, the synergistic effects of axial Fe5C2 nanoparticles and laterally SOx-functionalized Fe–Nx carbon planes within Fe5C2@SNC have been comprehensively unveiled. The electron-withdrawing nature of sulfur leads to charge redistribution, particularly on N sites proximal to the SOx group. Additionally, the axial Fe5C2 nanoparticles have precisely modulated the d-band center of the Fe5C2@SNC catalyst, optimizing oxygen intermediate adsorption and enhancing the ORR activity. This work highlights the understanding and harnessing of synergistic catalysis via a controllable core–shell structure, providing an effective way for developing highly efficient and stable electrocatalysts for energy conversion and storage applications.
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