Engineering the first coordination sphere of FeN 4 sites with less electronegative heteroatoms for oxygen reduction catalysis

杂原子 催化作用 氧还原反应 氧气 氧还原 还原(数学) 化学 氧原子 协调球 无机化学 材料科学 有机化学 离子 物理化学 分子 电化学 戒指(化学) 数学 电极 几何学
作者
Xinyu Liu,Wanlin Zhou,Yuhao Zhang,Qizheng An,Jingjing Jiang,Youcai Che,Xupeng Qin,Haixin Sun,Qinghua Liu,Shiqiang Wei
出处
期刊:Nano Research [Springer Science+Business Media]
卷期号:18 (12): 94907768-94907768 被引量:3
标识
DOI:10.26599/nr.2025.94907768
摘要

Rational modulation of Fe-N4 coordination symmetry through heteroatom doping with distinct electronegativities has emerged as a promising strategy to optimize the performance of the oxygen reduction reaction (ORR). Here, we systematically investigate the less electronegative sulfur- and phosphorus-doped Fe single-atom catalysts and demonstrate that the S-doped catalyst (Fe-SNC) achieves superior ORR activity (E1/2 = 0.904 V vs. RHE), surpassing both the P-doped Fe-PNC (0.872 V) and undoped Fe-NC control samples while maintaining exceptional durability. Synchrotron radiation X-ray absorption spectroscopy verified the precise engineering of the asymmetric Fe-S1N3 and Fe-P1N3 configurations within the ZIF-8-derived carbon matrices, confirming successful manipulation of the first coordination sphere. In situ synchrotron radiation infrared spectroscopy further elucidates accelerated *OOH dissociation kinetics in Fe-SNC, which benefits from the optimization of the electronic structure of Fe 3d by S doping. These findings conclusively establish geometric symmetry breaking via electronegativity-driven electronic modulation as an effective strategy for advancing metal-N4 catalyst design.
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