Regulating the Local Microenvironment of an Fe−N4 Single-Atom Catalyst for Enhanced Oxygen Reduction Reaction

催化作用 过氧化氢 部分 化学 选择性 吸附 光化学 可逆氢电极 氢 硫黄 X射线光电子能谱 氧气 电极 无机化学 电化学 物理化学 化学工程 立体化学 工作电极 有机化学 工程类
作者
Zhiguo Sun,Yuanhua Sun,Xue Zhang,Xiaokang Liu,Shuaiwei Jiang,Qiquan Luo,Faqiang Xu,Linlin Cao,Tao Yao
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:128 (18): 7463-7471
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.4c01551
摘要

Tailoring the local microenvironment of a single-atom active site is an effective pathway to promote electrocatalytic performance. Herein, we introduced a sulfur site to address the undesirable electron selectivity of a single-atom Fe−N4 catalyst for oxygen reduction reaction (ORR). Comprehensive X-ray spectroscopic results, coupled with theoretical calculations, reveal that the introduction of a second-shell S site optimizes the local electron distribution of the Fe−N4 moiety, enhancing its ORR activity. Furthermore, in situ synchrotron spectroscopy demonstrates that the presence of S in the Fe−N4 moiety facilitates the breakage of the O−O bonding by reinforcing the adsorption of *OOH intermediates, accounting for enhanced ORR activity and four-electron selectivity. The well-designed catalyst exhibits satisfactory alkaline ORR activity, featuring a half-wave potential of 0.93 V versus reversible hydrogen electrode. Importantly, it effectively suppresses the yield of hydrogen peroxide to 4%, achieving a maximum power density of 241.1 mW cm−2 in a Zn–air battery.
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