單原子錳催化劑具有較低的Fenton反應活性，在氧還原反應中具有較高的穩定性。在這里，采用N-和S-協同策略來調節Mn位點的微觀結構來獲得高效的ORR活性。制備的Mn-N/S-C催化劑具有孤立的Mn-N
2S
2，其ORR的半波電位為0.91 V。以Mn-N/S-C為陰極制備的的鋅-空氣電池具有193 mW cm
-2的功率密度和優異的輸出穩定性。在陰離子交換膜燃料電池(AEMFC)中，與無S的Mn-N-C催化劑相比，Mn-N/S-C的最大功率密度提高了1.53倍。實驗表征和理論模擬都揭示了Mn-N/S-C中的主要活性位點是嵌入石墨烯中的Mn-N
2S
2。進一步的計算結果表明，S原子摻雜和結構的不對稱導致ortho-Mn-N
2S
2G的ORR活性高于Mn-N
4G、Mn-N
3SG、para-Mn-N
2S
2G和Mn-NS
3G。
Fig 1. (a) Mn-SC、Mn-NC 和 Mn-N/SC 的合成示意圖。(b) Mn-N/SC 的 TEM 圖像。(c) Mn-N/SC 的 HAADF-STEM 圖像。(d) STEM 圖像和 (e) Mn-N/SC 的 EDS 元素圖。
Fig 2. (a) Mn-C、Mn-SC、Mn-NC 和 Mn-N/SC 的 XPS 測量光譜。(b) Mn 2p、(c) N 1 s 和 (d) S 2p 的 XPS 光譜。
Fig 3. (a) Mn-N/SC 和參考樣品的 Mn K 邊緣處的 X 射線吸收近邊緣結構光譜。(b) FT-EXAFS 光譜，(c) FT-EXAFS 擬合光譜。(d) 鄰位-MnN
2S
2 -G構型。
Fig 4. (a) Mn-C、Mn-SC、Mn-NC、Mn-N/SC 和 Pt/C 的 ORR 極化曲線。(b) 塔菲爾斜率。(c) 電子轉移數 (n) 和 H
2O
2產率。(d) Mn-N/SC 和 Pt/C 在 0.6 V 時的計時電流響應。(e) Mn-N/SC 和 Pt/C 在 0.6 V 時對一氧化碳的耐受性。(f) Mn- 的 ORR 極化曲線C、Mn-SC、Mn-NC 和 Mn-N/SC，不含（實線）和含（虛線）10 mM KSCN。
Fig 5. (a) Mn-N/SC 基和 Mn-NC 基 ZAB 的放電極化和功率密度曲線。(b) Mn-N/SC 基電池在不同電流密度下的放電平臺。插圖是由基于 Mn-N/SC 的電池提供的開路電壓的數字圖片。(c) 基于 Mn-NC 和基于 Mn-N/SC 的 ZAB 的比容量。(d) Mn-N/SC 基電池在 5 mA cm
-2下的恒電流循環穩定性。
Fig 6. (a) AEMFC 示意圖。(b) 基于 Mn-NC 和基于 Mn-N/SC 的 H
2/O
2燃料電池的極化圖。
Fig 7. (a) 鄰-Mn-N
2S
2-G 和三個反應中間體的優化結構。ORR和Mn-N
4-G、Mn-N
3S-G、ortho-Mn-N
2S
2-G、para-Mn-N
2S
2-G和Mn-NS
3-G的自由能圖反應路徑。
相關研究工作由吉林大學Jingqi Guan課題組于2023年在線發表在《Applied Catalysis B: Environmental》期刊上，原文：Engineering the electronic structure of isolated manganese sites to improve the oxygen reduction, Zn-air battery and fuel cell performances。
轉自《石墨烯研究》公眾號
