铁-硫键调控双原子铁位点电子结构以增强氧还原反应性能的创新研究

本研究针对双原子催化剂中金属负载量增加易导致团聚的问题，开发了硫掺杂新策略，成功构建具有Fe─S键的Fe2-S/NC催化剂。该材料在pH通用电解液中展现出卓越的ORR活性（半波电位达0.902 V/0.689 V/0.781 V），理论计算揭示Fe─S键可显著降低Fe位点d带中心并弱化OH*吸附。基于该催化剂的锌空电池与微生物燃料电池均实现超高功率密度（分别达317.1 mW cm?2和2074±66 mW m?2），为双原子催化剂电子结构调控提供了新范式。

　　

通过创新性地引入硫元素调控策略，研究人员成功避免了双原子铁催化剂（Fe₂-NC）中金属负载量提升导致的团聚问题。优化后的Fe₂-S/NC-6催化剂因形成Fe─S化学键，在碱性（0.902 V）、中性（0.689 V）和酸性（0.781 V）电解液中均展现出卓越的氧还原反应（ORR）半波电位。理论研究表明，含Fe─S键的催化剂与含噻吩式硫的Fe₂-NC/S催化剂相比，能更显著降低铁活性位点的d带中心，有效弱化对OH*中间体的吸附强度。性能预测显示ORR活性排序为：Fe₂-S/NC > Fe₂-NC/S > Fe₂-NC。应用该催化剂组装的锌空电池（ZAB）获得317.1 mW cm^?2的功率密度，微生物燃料电池（MFC）则实现2074±66 mW m^?2的输出功率，且均表现出优异稳定性。该工作开创性地揭示了Fe─S键在调控双原子铁催化剂电子结构中的关键作用，为设计高性能ORR催化剂提供了新方向。