JACS：磷掺杂Fe-N-C有效提高催化剂的电催化活性

可充电锌-空气电池因其能量密度高、环境友好以及锌资源丰富而成为能源技术中具有吸引力的组成部分。锌-空气电池的能源效率主要由空气电极的氧电催化剂决定，其中氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)分别作为放电和充电过程的交替步骤发生。然而，由于其在电化学过程中缓慢的动力学，锌-空气电池仍然受到非常大的电势差(>0.85 V)和低能源效率的阻碍。到目前为止，贵金属(PGMs)，如铂(Pt)和铱(Ir)仍然分别作为ORR和OER的基准催化剂，但其高昂的成本阻碍了其广泛的应用。

基于此，德累斯顿工业大学Guangbo Chen和马克斯·普朗克聚合物研究所Klaus Müllen(共同通讯)等人通过将磷原子加入到第二配位球中(P/Fe-N-C)，成功地提高了(含单原子铁的氮掺杂石墨碳材料)Fe-N-C的OER活性。

在O₂饱和的0.1 M KOH电解质溶液中，本文研究了P-Fe-N-C的电催化OER性能。为了比较，在相同的条件下测试了商业IrO₂催化剂，Fe-N-C和P/Fe@NC的催化性能。Fe-N-C呈现出高的OER起始过电位(约350 mV)，结果与报道的值一致，其中单原子Fe-N-C显示出非常缓慢的OER动力学。相比之下，在P/Fe-N-C上，O₂产生的过电位在∼130 mV以下，这大大低于商业IrO₂催化剂的∼270 mV。值得注意的是，P/Fe-N-C在电流密度达到10 mA cm^-2时，过电位显著降低为304 mV，与IrO₂(296 mV)相当，并且远低于P/Fe@NC(384 mV)和Fe-N-C(450 mV)。

值得注意的是，P/Fe-N-C的OER性能优于先前报道的单原子M-N-C电催化剂，甚至可以媲美或优于已报道的最先进的金属氧化物/氮化物/磷化物/硒基OER电催化剂。P/ Fe-N-C的ORR性能测试也在0.1 M KOH中进行，并与商业Pt/C催化剂，Fe-N-C和P/Fe@N-C进行比较。Fe-N-C在0.99 V的起始电位下表现出优异的ORR性能。P/Fe-N-C的ORR活性略有提高，起始电位为1.01 V，半波电位(E_1/2)为0.90 V，高于Fe-N-C的0.88 V、P/Fe@N-C的0.87 V和Pt/C的0.84 V。此外，P/Fe-N-C的动力学电流密度在0.85 V时达到25.4 mA cm^-2，是Pt/C的4.9倍。测试结果表明，P/Fe-N-C的ORR活性略有提高，主要是由于高的铁负载和高表面积导致的高本征活性和活性位点密度的增加。

更重要的是，P/Fe-N-C具有0.63 V的小ΔE(E_OER-E_1/2@10 mA cm^-2)，大大低于Pt/C-IrO₂和最先进的双功能氧电催化剂，包括单原子M-N-C，无金属材料，金属氧化物/氮化物/磷化物/硒化物，钙钛矿和PGM基电极，这些结果表明，P/Fe-N-C是双功能氧电催化剂的最佳候选者之一。

通过第一性原理计算，本文揭示了磷对P/Fe-N-C的OER活性的影响。考察了OER中间体(即OH^*、O^*和OOH^*)在催化剂模型上的吸附行为，OER的吉布斯自由能图说明，所有催化剂模型上的OER活性都可以描述为吉布斯吸附能(ΔG_*OOH-ΔG_*O)和ΔG_*OOH的函数。前者对应O-O耦合步骤(^*O→^*OOH)，后者对应O₂脱附步骤(*OOH→O₂)。在纯Fe-N-C上，O-O耦合步骤的过电位高达0.92 eV，这解释了报道的Fe-N-C材料OER活性较差的原因。

相比之下，对于所有的P/Fe-N-C模型，OER活性都得到了提高，受益于ΔG_*OOH的增加和(ΔG_*OOH-ΔG_*O)值的减少。此外，还研究了P/Fe-N-C催化剂中的替代结构对OER活性的影响，包括空位缺陷、N掺杂、P掺杂、N、P共掺杂、双原子Fe和P掺杂Fe-N-C，可以得出结论，在Fe中心的第二配位球中引入磷可以通过调节^*OOH/^*O吸附来获得最佳的OER性能。本文的工作将促进对其他电化学反应的单原子催化剂的研究，如水分解、CO₂还原和固氮。

Boosting oxygen electrocatalytic activity of Fe-N-C catalysts by phosphorus incorporation, Journal of the American Chemical Society, 2023, DOI: 10.1021/jacs.2c12933.

https://doi.org/10.1021/jacs.2c12933.