Facile Synthesis of Thiophene‐Based MOF‐Derived Bimetallic ZnM Sulfides (M═Fe, Co, Ni) for Electrocatalytic Oxygen Reduction and Zinc Air Batteries

材料科学 双金属片 催化作用 掺杂剂 纳米棒 电化学 过渡金属 纳米技术 纳米颗粒 化学工程 阳极 密度泛函理论 碳纤维 无机化学 兴奋剂 吸附 功率密度 金属 电催化剂 碳纳米管 带隙 电流密度 氧还原反应 纳米晶 硫化物 限制电流 纳米结构 贵金属 储能 氧化还原 析氧
作者
Jie Liu,Qiu Ye,Hui Liu,J CHEN,Yi Wu,Haoran Wang,Yunan Ye,L. Zhang,Qipeng Li,Jinjie Qian
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:22 (9): e11568-e11568 被引量:1
标识
DOI:10.1002/smll.202511568
摘要

ABSTRACT Transition metal sulfides (TMSs) have emerged as promising catalysts for the oxygen reduction reaction (ORR), yet achieving activity comparable to Pt‐based benchmarks remains challenging. Herein, we present an in situ MOF‐carbonization strategy to prepare transition metal‐doped ZnS nanoparticles embedded in N, S‐codoped carbon nanorods (M─ZnS/NSCNR, M═Fe, Co, Ni). Structural characterization confirms successful dopant integration into ZnS lattices within hierarchical carbon substrates, yielding enhanced defect density and optimal porosity. Furthermore, electrochemical evaluation reveals Fe─ZnS/NSCNR's exceptional ORR performance in 0.1 M KOH, exhibiting a half‐wave potential of 0.897 V and limiting current density of 5.20 mA cm −2— surpassing both Pt/C and Co/Ni analogues. In zinc‐air batteries, it can achieve a peak power density of 132.1 mW cm −2 , specific capacity of 685.6 mAh g Zn −1 , and minimal voltage gap (0.96 V) during 70 h cycling. DFT calculations show that transition metal doping effectively modulates the ZnS electronic structure by adjusting the position of the d‐band center (d ε ). The Fe‐doped ZnS model exhibits a well‐balanced d ε value (−1.34 eV) and reduced OOH * adsorption barrier (0.62 eV), leading to enhanced ORR activity. This work establishes a scalable route for designing noble metal‐free, MOF‐derived ORR catalysts with superior activity‐durability characteristics for advanced energy technologies.
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