掺硫的钴-氮-碳材料在高效氧电催化中的应用

《Sustainable Energy & Fuels》：Sulfur-doped cobalt–nitrogen–carbon materials for efficient oxygen electrocatalysis

氧还原反应（ORR）催化剂设计：硫修饰的Co-N-C催化剂通过ZIF前驱体热解制备，实验及DFT证实硫掺杂优化了钴位点电子结构并降低OH脱附能垒，使0.1 M KOH中过电位优于商用Pt/C，同时构建的锌空气电池峰值功率密度达210 mW cm-2，稳定性显著提升，为非贵金属ORR催化剂开发提供新策略。

　　

氧还原反应（ORR）是金属-空气电池等清洁能源技术的核心，但其反应动力学通常较慢，这需要依赖贵金属催化剂。在本研究中，研究人员通过使用二维（2D）沸石咪唑酸盐框架（ZIF）作为前驱体，并采用硫脲辅助的热解策略，成功合成了一种硫改性的钴-氮-碳催化剂（S@Co–N–C）。实验表征表明，硫掺杂有效地调节了Co–N?位点的电子结构，显著提升了该材料的ORR活性。在0.1 M KOH溶液中，S@Co–N–C的半波电位（E?/?）为0.895 V（相对于RHE），超过了商用Pt/C催化剂（20 wt%时为0.870 V）。密度泛函理论（DFT）计算证实，硫原子的引入优化了钴位点的d带中心，并降低了OH脱附能垒，从而加速了ORR反应动力学。此外，采用S@Co–N–C制备的Zn-空气电池实现了210 mW cm?2的峰值功率密度，优于Pt/C + RuO?基准电池（140 mW cm?2）。与对照组Co–N–C和商用基准电池相比，S@Co–N–C在ORR和Zn-空气电池方面也表现出更优异的稳定性。这项研究为设计高稳定性的非贵金属ORR催化剂提供了新的见解，并阐明了硫掺杂在M–N–C材料中的关键作用。