Engineering the electronic structure of isolated manganese sites to improve the oxygen reduction, Zn-air battery and fuel cell performances

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作者
Xue Bai,Yin Wang,Jingyi Han,Xiaodi Niu,Jingqi Guan
出处
期刊:Applied Catalysis B-environmental [Elsevier BV]
卷期号:337: 122966-122966 被引量:80
标识
DOI:10.1016/j.apcatb.2023.122966
摘要

Single-atom manganese catalysts possess high stability in the oxygen reduction reaction (ORR) due to their lower Fenton reaction activity. Here, we employ N- and S-co-coordination strategy to modulate the microstructural Mn sites towards high-efficiency ORR. The fabricated Mn-N/S-C catalyst with isolated Mn-N2S2 sites demonstrates a positive half-wave potential of 0.91 V for the ORR. The fabricated zinc–air battery with Mn-N/S-C as the cathode affords a maximal power density of 193 mW cm−2 and superior output stability. Moreover, the maximal power density is increased by 1.53 times compared with S-free Mn-N-C catalyst in anion exchange membrane fuel cells (AEMFCs). Both experimental characterizations and theoretical simulations unveil that the main active sites in the Mn-N/S-C should be Mn-N2S2 moiety embedded into the graphene framework (Mn-N2S2G). Further computational results demonstrate that the S atom doping and asymmetry of structure lead to higher ORR activities of ortho-Mn-N2S2G than Mn-N4G, Mn-N3SG, para-Mn-N2S2G and Mn-NS3G.
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