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Iron Nanoparticles Encapsulated in S,N-Codoped Carbon: Sulfur Doping Enriches Surface Electron Density and Enhances Electrocatalytic Activity toward Oxygen Reduction

材料科学 氧还原反应 氧还原 碳纤维 硫黄 纳米颗粒 氧气 无机化学 兴奋剂 电催化剂 电子 还原(数学) 化学工程 电极 纳米技术 电化学 化学 有机化学 物理化学 复合材料 工程类 复合数 冶金 物理 量子力学 光电子学 几何学 数学
作者
Shanyong Chen,Yong Yan,Panpan Hao,Muhong Li,Jiyuan Liang,Jia Guo,Yu Zhang,Shaowei Chen,Weiping Ding,Xuefeng Guo
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:12 (11): 12686-12695 被引量:52
标识
DOI:10.1021/acsami.9b20007
摘要

Development of highly efficient nonprecious metal (NPM) catalysts for oxygen reduction reaction (ORR) in acidic media is challenging but of great significance. Herein, an effective ORR catalyst based on Fe nanoparticles encapsulated by S,N-codoped few-layer defective carbon (Fe@S,N-DC) was synthesized via a microwave-assisted strategy. The obtained Fe@S,N-DC nanocomposite showed a remarkable electrocatalytic activity toward ORR in acidic media, with a half-wave potential (E1/2) of +0.785 V versus reversible hydrogen electrode, which was 80 mV more positive than that of the sulfur-free counterpart (Fe@N-DC). Furthermore, due to the protection by the S,N-codoped carbon shell, the Fe@S,N-DC nanocomposite displayed apparent stability with only a 13 mV negative shift of E1/2 after 10,000 cycles and excellent tolerance to methanol. X-ray absorption near-edge spectroscopy measurements confirmed the formation of multiple defective sites on the S,N-codoped carbon surface and strong interfacial electron transfer from the Fe core to the outer carbon surface, as compared to the sulfur-free counterpart. The enriched electron density on the defective carbon surface of Fe@S,N-DC, induced by the interfacial electron transfer, facilitated the reduction of O2 to OOH*, leading to enhanced ORR performance. These results shed light on the significance of S doping in Fe-N-C catalysts in the design of high-performance NPM catalysts for ORR in acidic media.
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