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Mn Single-Atom Tuning Fe-N-C Catalyst Enables Highly Efficient and Durable Oxygen Electrocatalysis and Zinc–Air Batteries

电催化剂 催化作用 材料科学 氧原子 析氧 Atom(片上系统) 氧气 化学工程 纳米技术 氧还原反应 氧还原 无机化学 电极 化学 电化学 物理化学 冶金 计算机科学 有机化学 分子 工程类 嵌入式系统
作者
Lan Ran,Yan Xu,Xinwang Zhu,Shanyong Chen,Xiaoqing Qiu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (1): 750-760 被引量:97
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c09100
摘要

Fe-N-C catalyst is one of most promising candidates for oxygen electrocatalysis reaction in zinc–air batteries (ZABs), but achieving sustained high activity is still a challenging issue. Herein, we demonstrate that introducing Mn single atoms into Fe-N-C (Mn1@Fe-N-C/CNTs) enables the realization of highly efficient and durable oxygen electrocatalysis performance and application in ZABs. Multiple characterizations confirm that Mn1@Fe-N-C/CNTs is equipped with Mn-N2O2 and Fe-N4 sites and Fe nanoparticles. The Mn-N2O2 sites not only tune the electron structure of Fe-Nx sites to enhance intrinsic activity, but also scavenge the attack of radicals from Fe-Nx sites for improvement in ORR durability. As a result, Mn1@Fe-N-C/CNTs exhibits enhanced ORR performance to traditional Fe-N-C catalysts with high E1/2 of 0.89 V vs reversible hydrogen electrode (RHE) and maintains ORR activity after 15 000 CV. Impressively, Mn1@Fe-N-C/CNTs also presents excellent OER activity and the difference (ΔE) between E1/2 of ORR and OER potential at 10 mA cm–2 (Ej10) is only 0.59 V, outperforming most reported catalysts. In addition, the maintainable bifunctional activity of Mn1@Fe-N-C/CNTs is demonstrated in ZABs with almost unchanged cycle voltage efficiency up to 200 h. This work highlights the critical role of Mn single atoms in enhancing ORR activity and stability, promoting the development of advanced catalysts.
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