Unraveling the Origin of Sulfur‐Doped Fe‐N‐C Single‐Atom Catalyst for Enhanced Oxygen Reduction Activity: Effect of Iron Spin‐State Tuning

杂原子 电子顺磁共振 催化作用 自旋态 兴奋剂 化学 穆斯堡尔谱学 结晶学 硫黄 无机化学 材料科学 核磁共振 有机化学 光电子学 物理 戒指(化学)
作者
Zhaoyang Chen,Huan Niu,Jie Ding,Heng Liu,Pei‐Hsuan Chen,Yi‐Hsuan Lu,Ying‐Rui Lu,Wenbin Zuo,Lei Han,Yuzheng Guo,Sung‐Fu Hung,Yueming Zhai
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:60 (48): 25404-25410 被引量:381
标识
DOI:10.1002/anie.202110243
摘要

Abstract Heteroatom doped atomically dispersed Fe 1 ‐NC catalysts have been found to show excellent activity toward oxygen reduction reaction (ORR). However, the origin of the enhanced activity is still controversial because the structure‐function relationship governing the enhancement remains elusive. Herein, sulfur( S )‐doped Fe 1 ‐NC catalyst was obtained as a model, which displays a superior activity for ORR towards the traditional Fe‐NC materials. 57 Fe Mössbauer spectroscopy and electron paramagnetic resonance spectroscopy revealed that incorporation of S in the second coordination sphere of Fe 1 ‐NC can induce the transition of spin polarization configuration. Operando 57 Fe Mössbauer spectra definitively identified the low spin single‐Fe 3+ ‐atom of C‐FeN 4 ‐S moiety as the active site for ORR. Moreover, DFT calculations unveiled that lower spin state of the Fe center after the S doping promotes OH* desorption process. This work elucidates the underlying mechanisms towards S doping for enhancing ORR activity, and paves a way to investigate the function of broader heteroatom doped Fe 1 ‐NC catalysts to offer a general guideline for spin‐state‐determined ORR.
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