Restricting Two‐Electron Oxygen Reduction via Secondary Coordinated Sulfur Enabling Ultralong‐Lifespan Zn‐Air Batteries

催化作用 硫黄 过氧化氢 化学 氧气 密度泛函理论 过渡金属 吸附 金属 阴极 纳米技术 材料科学 化学工程 物理化学 计算化学 有机化学 工程类
作者
Wenxian Liu,Jinxiu Feng,Henan Wang,Pu Wang,Dong Zheng,Wenhui Shi,Fangfang Wu,Tianqi Deng,Xiehong Cao
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:64 (27): e202506762-e202506762 被引量:16
标识
DOI:10.1002/anie.202506762
摘要

Abstract The direct four‐electron oxygen reduction reaction (4e − ORR) critically governs efficiency and lifespan in metal–air batteries and fuel cells, yet selectively suppressing competitive 2e − and stepwise 2e − pathways that generate corrosive hydrogen peroxide remains a major challenge. Herein, we demonstrate the strategic incorporation of secondary coordinated sulfur atoms into transition metal‐N‐C electrocatalysts to effectively promote direct 4e − ORR and simultaneously suppress undesirable 2e − pathways. Density functional theory (DFT) calculations and operando spectroscopy reveal that enhanced adsorption of key intermediate *OOH facilitates efficient O─O bond cleavage, underpinning altered catalytic selectivity. Importantly, this approach is universally applicable to various carbon‐based catalysts, including Co─N@C, Ni─N@C, Mn─N@C, and N@C. Specifically, a sulfur‐mediated Co─N/Co@C catalyst, comprising Co─N 4 sites and Co nanoparticles, dramatically lowers the 2e − O 2 ‐to‐H 2 O 2 rate constant to merely 0.05‐fold of its original value at 0.78 V. Consequently, Zn‐air batteries using Co─N/Co@C‐S as cathode exhibits an outstanding peak power density of 220 mW cm −2 , remarkable lifespan over 2500 h, and outstanding rate performance from 5 to 50 mA cm −2 . This work paves a generalizable route for designing highly active and selective electrocatalysts suitable for advanced long‐life energy storage devices.
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