High‐Activity Fe 3 C as pH‐Universal Electrocatalyst for Boosting Oxygen Reduction Reaction and Zinc‐Air Battery

催化作用 电催化剂 电解质 热解 电池(电) 无机化学 材料科学 过渡金属 纳米颗粒 化学 化学工程 纳米技术 电极 物理化学 电化学 有机化学 量子力学 物理 工程类 功率(物理)
作者
Qi‐Dong Ruan,Rui Feng,Jiu‐Ju Feng,Yijing Gao,Lu Zhang,Ai‐Jun Wang
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:19 (27): e2300136-e2300136 被引量:54
标识
DOI:10.1002/smll.202300136
摘要

Abstract Transition metal catalysts are regarded as one of promising alternatives to replace traditional Pt‐based catalysts for oxygen reduction reaction (ORR). In this work, an efficient ORR catalyst is synthesized by confining Fe 3 C nanoparticles into N, S co‐doped porous carbon nanosheets (Fe 3 C/N,S‐CNS) via high‐temperature pyrolysis, in which 5‐sulfosalicylic acid (SSA) demonstrates as an ideal complexing agent for iron (ΙΙΙ) acetylacetonate while g‐C 3 N 4 behaves as a nitrogen source. The influence of the pyrolysis temperature on the ORR performance is strictly examined in the controlled experiments. The obtained catalyst exhibits excellent ORR performance ( E 1/2 = 0.86 V; E onset = 0.98 V) in alkaline electrolyte, coupled by exhibiting the superior catalytic activity and stability ( E 1/2 = 0.83 V, E onset = 0.95 V) to Pt/C in acidic media. In parallel, its ORR mechanism is carefully illustrated by the density functional theory (DFT) calculations, especially the role of the incorporated Fe 3 C played in the catalytic process. The catalyst‐assembled Zn‐air battery also exhibits a much higher power density (163 mW cm –2 ) and ultralong cyclic stability in the charge–discharge test for 750 h with a gap increase down to 20 mV. This study provides some constructive insights for preparation of advanced ORR catalysts in green energy conversion units correlated systems.
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