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文献速递|中南林业科技大学ACB:锚定在掺杂S的碳化木纤维上的硫化铁钴的定制双金属协同作用,用于高效氧气进化反应

  • 2026-10-12 07:22:47
文献速递|中南林业科技大学ACB:锚定在掺杂S的碳化木纤维上的硫化铁钴的定制双金属协同作用,用于高效氧气进化反应
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第一作者:Bin Zhao

通讯作者:许瀚/卿彦 教授

通讯单位:中南林业科技大学材料科学与工程学院

DOI:10.1016/j.apcatb.2024.123947

全文速览

将中间产物的比例关系解耦是提高氧进化反应催化效率的有效策略。本文通过简单的同步碳化和硫化过程,制备了锚定在掺杂S的碳化木纤维(SCWF)上的掺杂S的碳化Fe.92Co.08S纳米颗粒(Fe.92Co.08S@SC)。由于双金属的协同催化效应和支撑催化剂的独特结构效应,Fe.92Co.08S@SC/SCWF 表现出优异的 OER 催化效率,在 50 mA cm 的过电位为 238 mV,稳定性长达 100 h。理论计算和电化学表征证实,双金属协同作用可加速 Fe.92Co.08S@SC 的表面重构,并具有高效的 OER 活性。在锌-空气电池应用中,Fe.92Co.08S@SC/SCWF 的功率密度和稳定性均优于商用 RuO2。这项研究为制备具有双金属协同作用的支撑电催化剂以实现高效 OER 提供了新的视角。

图文摘要
引言

在此,通过简单的同步碳化和硫化过程,利用 MOF-74-FeCo- 衍生的 Fe.92Co.08S 双金属纳米粒子嵌入掺杂 S 的橄榄球状碳基体,并直接生长在掺杂 S 的碳化 WF(SCWF)上,制备了一种用于 OER 的支撑型电催化剂。得益于支撑催化剂的独特结构效应,Fe.92Co.08S@SC/SCWF 避免了 MOFs 衍生碳复合材料中常见的团聚问题,并能提供更大的比表面积和更好的导电性。然后,Fe.92Co.08S@SC 中双金属的协同催化作用可为 OER 带来卓越的催化效率。在 OER 催化过程中,Fe.92Co.08S@SC/SCWF 在 238 mV 的过电位下可达到 50 mA cm-2 的电流密度。此外,在 50 mA cm-2 的条件下催化 100 小时后,观察到活性衰减了 0.14%。值得注意的是,在 281 mV 的过电位下,电流密度达到了 500 mA cm-2。密度泛函理论计算和电化学表征证实了双金属在 Fe.92Co.08S@SC 中的协同催化效应,其中 Co 的引入使 Fe 的电子密度更高,从而加速了 Fe.92Co.08S@SC 的表面重构,生成活性的 FeCoOOH 相,从而提高了 OER 活性。在锌空气电池(ZAB)应用中,Fe.92Co.08S@SC/SCWF 作为阴极比商用 RuO2 获得了更高的功率密度(177.86 mW cm-2)和更好的循环稳定性(100 小时内衰减可忽略不计)。

同位素标记技术
图文导读

Fig. 1. Schematic of the synthetic process of Fe.92Co.08S@SC/SCWF.

Fig. 2. SEM images of (a) MOF-74–FeCo/WF and (b) Fe.92Co.08S@SC/SCWF at different magnifications, (c–d) TEM images of Fe.92Co.08S@SC, (e) HRTEM image of Fe.92Co.08S@SC (the inset is the corresponding SAED pattern); (f–j) HAADF-STEM image and corresponding elemental mappings of Fe.92Co.08S@SC.

Fig. 3. (a) XRD patterns of Fe.92Co.08S@SC/SCWF, FeS@SC/SCWF, and Co9S8@SC/SCWF; (b) N2 adsorption–desorption isothermal curves (the inset is the corresponding pore-size distribution plot) for Fe.92Co.08S@SC/SCWF and MOF-74-FeCo/WF; (c) XPS survey spectrum of Fe.92Co.08S@SC/SCWF. High-resolution XPS spectra of (d) Fe 2p, (e) Co 2p, and (f) S 2p for Fe.92Co.08S@SC/SCWF.

Fig. 4. (a) LSV curves of Fe.92Co.08S@SC/SCWF, FeS@SC/SCWF, Co9S8@SC/SCWF, Fe.92Co.08S@SC, SCWF and commercial RuO2; (b) The corresponding Tafel slopes; (c) Nyquist plots of Fe.92Co.08S@SC/SCWF, FeS@SC/SCWF, Co9S8@SC/SCWF and Fe.92Co.08S@SC in 1.0 M KOH (insert is the corresponding equivalent circuit); (d) Bode phase plots of the in site electrochemical impedance spectra of Fe.92Co.08S@SC/SCWF and FeS@SC/SCWF for OER; (e) The Cdl of the as-prepared catalysts; (f) The chronopotentiometry response of Fe.92Co.08S@SC/SCWF, FeS@SC/SCWF, Co9S8@SC/SCWF and Fe.92Co.08S@SC at 50 mA cm–2 for OER; (g) Comparisons of potential at 50 mA cm−2 and Tafel slope with literature (Reference samples are presented in Table S3).

Fig. 5. (a) DOS of Fe.92Co.08S@SC, PDOS of Fe and Co; (b) Charge density difference of Fe.92Co.08S@SC and FeS@SC (yellow and blue colors denote the accumulation and depletion of electrons); (c) Comparison of OH* adsorption energies of Fe site and Co site in FeCoOOH; (d) OER free-energy ladder plots of FeCoOOH and FeOOH at U = 0 V; (e) PDOS of Fe in FeCoOOH and FeOOH; (f) Mechanism analysis.

Fig. 6. (a) Schematic of ZAB. (b) Charge–discharge curves of ZAB loaded with Fe.92Co.08S@SC/SCWF + Pt/C and RuO2 + Pt/C. (c) Power density curve. (d) Comparison with recently reported ZAB performance. (e) Open-circuit voltage of ZAB loaded with Fe.92Co.08S@SC/SCWF + Pt/C and (f) images of lit LED bulbs. (g) Constant current charge and discharge curve.

研究意义

我们成功地将具有双金属协同作用的 Fe.92Co.08S 封装在掺杂 S 的碳基质中,并通过同步碳化和硫化将其均匀地锚定在 SCWF 基质上。Fe.92Co.08S@SC 中铁和钴双金属的协同催化作用大大提高了对 OER 的催化性能。鉴于其独特的结构效应,Fe.92Co.08S@SC/SCWF支撑的电催化剂避免了Fe.92Co.08S@SC的团聚,为反应提供了较大的比表面积,并增强了导电性。在 50 和 100 mA cm-2 的电流密度下驱动 OER 过程,Fe.92Co.08S@SC/SCWF 所需的过电位分别为 238 和 252 mV,塔菲尔斜率为 35.89 mV dec-1。此外,达到 500 mA cm-2 的高电流密度需要 281 mV。值得注意的是,这种电催化剂在 100 小时内表现出极佳的稳定性,催化活性几乎没有衰减(0.14%)。作为具有广阔应用前景的 ZAB 空气阴极催化剂,其功率密度达到了 177.86 mW cm-2。DFT 计算证实,在 Fe.92Co.08S@SC 中引入 Co 作为促进剂,可增加 Fe 的电子密度,加速 Fe.92Co.08S@SC 的表面重构,生成具有高效 OER 催化性能的 FeCoOOH。该研究提出了一种利用可持续的 WF 资源生产高效 OER 电催化剂的设计方法,并对含有双金属的电催化剂的协同机理提出了见解。

文献信息
:

Bin Zhao, Wanjuan Zeng, Wenxi Zhang, Sha Chen, Han Xu, Yu Liao, Yuanyuan Liao, Yan Qing, Yiqiang Wu, Tailored bimetallic synergy of iron–cobalt sulfide anchored to S-doped carbonized wood fiber for high-efficiency oxygen evolution reaction, Applied Catalysis B: Environment and Energy, 2024, https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.123947

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