Un enfoque versátil para aumentar la reducción de oxígeno de sitios Fe‐N4 mediante la incorporación controlada de funcionalidad de azufre

Resumen Aunque Fe‐N4 disperso atómicamente en materiales de carbono (Fe‐NC) tiene un enorme potencial para la reacción de reducción de oxígeno (ORR), el control preciso sobre la estructura electrónica de Fe para mejorar el rendimiento catalítico y una comprensión completa del mecanismo catalítico siguen siendo esquivos. En este trabajo, se diseña un nuevo enfoque para aumentar la actividad cinética de los centros individuales de Fe‐N4 controlando el contenido y especies dopados con S (a saber, S tipo tiofeno y S oxidado). Debido a los efectos de confinamiento y catálisis, la estrategia innovadora de combinar un molde de Mg(OH) 2 con activación de KOH genera preferentemente S oxidado y, simultáneamente, construye carbono poroso con una alta carga de Fe (2.93 % en peso) y poros jerárquicos. Los cálculos teóricos sugieren que las funcionalidades de S adyacentes pueden afectar las configuraciones electrónicas de los sitios Fe‐N4 y aumentar la densidad de electrones alrededor de los átomos de Fe, optimizando así la energía de adsorción de los intermedios y acelerando sustancialmente la cinética de reacción, siguiendo la tendencia: S oxidado dopado > S tipo tiofeno dopado > Fe‐N4 puro. Beneficiándose de la alta actividad y accesibilidad de los sitios Fe‐N4, el electrodo óptimo FeNC‐SN‐2 muestra una impresionante actividad de ORR con alta densidad de potencia, manteniendo una durabilidad excepcional en baterías de Zn-aire y celdas de combustible microbianas. Este trabajo allana el camino para preparar sitios metálicos de un solo átomo -Nx con dopaje de heteroátomos para diversas aplicaciones de alto rendimiento.