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

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

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）。

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.