Tuning Structural and Electronic Configuration of FeN₄ via External S for Enhanced Oxygen Reduction Reaction

Abstract

The Fe-N-C material represents an attractive oxygen reduction reaction electrocatalyst, and the FeN₄ moiety has been identified as a very competitive catalytic active site. Fine tuning of the coordination structure of FeN₄ has an essential impact on the catalytic performance. Herein, we construct a sulfur-modified Fe-N-C catalyst with controllable local coordination environment, where the Fe is coordinated with four in-plane N and an axial external S. The external S atom affects not only the electron distribution but also the spin state of Fe in the FeN₄ active site. The appearance of higher valence states and spin states for Fe demonstrates the increase in unpaired electrons. With the above characteristics, the adsorption and desorption of the reactants at FeN₄ active sites are optimized, thus promoting the oxygen reduction reaction activity. This work explores the key point in electronic configuration and coordination environment tuning of FeN₄ through S doping and provides new insight into the construction of M-N-C-based oxygen reduction reaction catalysts.

Keywords

coordination structure / electronic configuration / FeN ₄ moiety / oxygen reduction reaction / sulfur doping

References

[1] M. Escudero-Escribano , P. Malacrida , M. H. Hansen , U. G. Vej-Hansen , A. Velázquez-Palenzuela , V. Tripkovic , J. Schiøtz , J. Rossmeisl , I. E. L. Ste-phens , I. Chorkendorff , Science 2016, 352, 73.

[2] V. R. Stamenkovic , D. Strmcnik , P. P. Lopes , N. M. Markovic , Nat. Mater. 2017, 16, 57.

[3] Z. Zhuang , Y. Li , R. Yu , L. Xia , J. Yang , Z. Lang , J. Zhu , J. Huang , J. Wang , Y. Wang , L. Fan , J. Wu , Y. Zhao , D. Wang , Y. Li , Nat. Catal. 2022, 5, 300.

[4] Q. Yu , J. Lv , J. Li , R. Yu , J. Wu , S. Xi , X. Li , N. Xu , L. Zhou , L. Mai , Energy Environ. Mater. 2022,

[5] J. Zhu , L. Xia , R. Yu , R. Lu , J. Li , R. He , Y. Wu , W. Zhang , X. Hong , W. Chen , Y. Zhao , L. Zhou , L. Mai , J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 15529.

[6] A. A. Gewirth , J. A. Varnell , A. M. DiAscro , Chem. Rev. 2018, 118, 2313.

[7] K. Kumar , P. Gairola , M. Lions , N. Ranjbar-Sahraie , M. Mermoux , L. Dubau , A. Zitolo , F. Jaouen , F. Maillard , ACS Catal. 2018, 8, 11264.

[8] Z. Zhuang , Y. Li , J. Huang , Z. Li , K. Zhao , Y. Zhao , L. Xu , L. Zhou , L. V. Moskaleva , L. Mai , Sci. Bull. 2019, 64, 617.

[9] Z. Zhuang , J. Huang , Y. Li , L. Zhou , L. Mai , ChemElectroChem 2019, 6, 3570.

[10] R. Paul , Q. Zhai , A. K. Roy , L. Dai , Interdiscip. Mater. 2022, 1, 28.

[11] S. H. Lee , J. Kim , D. Y. Chung , J. M. Yoo , H. S. Lee , M. J. Kim , B. S. Mun , S. G. Kwon , Y. E. Sung , T. Hyeon , J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 2035.

[12] J. Zhang , Y. Chen , Y. Liu , X. Liu , S. Gao , Sci. China Mater. 2021, 65, 653.

[13] H. Wang , L. Cao , Y. Feng , J. Chen , W. Feng , T. Luo , Y. Hu , C. Yuan , Y. Zhao , Y. Zhao , K. Kajiyoshi , Y. Liu , Z. Li , J. Huang , Chin. Chem. Lett. 2022,

[14] L. Zhong , J. O. Jensen , L. N. Cleemann , C. Pan , Q. Li , Sci. Bull. 2018, 63, 24.

[15] X. Ao , W. Zhang , Z. Li , J. G. Li , L. Soule , X. Huang , W. H. Chiang , H. M. Chen , C. Wang , M. Liu , X. C. Zeng , ACS Nano 2019, 13, 11853.

[16] Y. Mun , S. Lee , K. Kim , S. Kim , S. Lee , J. W. Han , J. Lee , J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 6254.

[17] Y. Jia , F. Zhang , Q. Liu , J. Yang , J. Xian , Y. Sun , Y. Li , G. Li , Chin. Chem. Lett. 2022, 33, 1070.

[18] P. Yu , R. Chen , Q. Zhang , S. Liang , M. Ni , W. Yang , Sci. Bull. 2018, 63, 213.

[19] J. Liu , D. Wang , K. Huang , J. Dong , J. Liao , S. Dai , X. Tang , M. Yan , H. Gong , J. Liu , Z. Gong , R. Liu , C. Cui , G. Ye , X. Zou , H. Fei , ACS Nano 2021, 15, 18125.

[20] H. R. Byon , J. Suntivich , Y. Shao-Horn , Chem. Mater. 2011, 23, 3421.

[21] Y. Wang , L. Wang , H. Fu , Sci. China Mater. 2022, 65, 1701.

[22] H. T. Chung , D. A. Cullen , D. Higgins , B. T. Sneed , E. F. Holby , K. L. More , P. Zelenay , Science 2017, 357, 479.

[23] K. M. Zhao , S. Liu , Y. Y. Li , X. Wei , G. Ye , W. Zhu , Y. Su , J. Wang , H. Liu , Z. He , Z. Y. Zhou , S. G. Sun , Adv. Energy Mater. 2022, 12, 2103588.

[24] M. H. Naveen , K. Shim , M. S. A. Hossain , J. H. Kim , Y. B. Shim , Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1602002.

[25] H. Yin , P. Yuan , B.-A. Lu , H. Xia , K. Guo , G. Yang , G. Qu , D. Xue , Y. Hu , J. Cheng , S. Mu , J.-N. Zhang , ACS Catal. 2021, 11, 12754.

[26] J. Chen , S. K. Iyemperumal , T. Fenton , A. Carl , R. Grimm , G. Li , N. A. Deskins , ACS Catal. 2018, 8, 10464.

[27] X. Li , C.-S. Cao , S.-F. Hung , Y.-R. Lu , W. Cai , A. I. Rykov , S. Miao , S. Xi , H. Yang , Z. Hu , J. Wang , J. Zhao , E. E. Alp , W. Xu , T.-S. Chan , H. Chen , Q. Xiong , H. Xiao , Y. Huang , J. Li , T. Zhang , B. Liu , Chem 2020, 6, 3440.

[28] W. Liu , L. Zhang , X. Liu , X. Liu , X. Yang , S. Miao , W. Wang , A. Wang , T. Zhang , J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 10790.

[29] C. Shao , L. Wu , H. Zhang , Q. Jiang , X. Xu , Y. Wang , S. Zhuang , H. Chu , L. Sun , J. Ye , B. Li , X. Wang , Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2100833.

[30] M. Wang , W. Yang , X. Li , Y. Xu , L. Zheng , C. Su , B. Liu , ACS Energy Lett. 2021, 6, 379.

[31] A. Zitolo , V. Goellner , V. Armel , M.-T. Sougrati , T. Mineva , L. Stievano , E. Fonda , F. Jaouen , Nat. Mater. 2015, 14, 937.

[32] J. Li , M. T. Sougrati , A. Zitolo , J. M. Ablett , I. C. Oğuz , T. Mineva , I. Matanovic , P. Atanassov , Y. Huang , I. Zenyuk , A. Di Cicco , K. Kumar , L. Dubau , F. Maillard , G. Dražić , F. Jaouen , Nat. Catal. 2020, 4, 10.

[33] G.-H. Wang , K. Chen , J. Engelhardt , H. Tüysüz , H.-J. Bongard , W. Sch-midt , F. Schüth , Chem. Mater. 2018, 30, 2483.

[34] G. H. Wang , J. Hilgert , F. H. Richter , F. Wang , H. J. Bongard , B. Spliethoff , C. Weidenthaler , F. Schüth , Nat. Mater. 2014, 13, 293.

[35] Y. Zhou , Y. Yu , D. Ma , A. C. Foucher , L. Xiong , J. Zhang , E. A. Stach , Q. Yue , Y. Kang , ACS Catal. 2020, 11, 74.

[36] Q. Yu , S. Lian , J. Li , R. Yu , S. Xi , J. Wu , D. Zhao , L. Mai , L. Zhou , J. Mater. Chem. A 2020, 8, 6076.

[37] C. He , Z.-Y. Wu , L. Zhao , M. Ming , Y. Zhang , Y. Yi , J.-S. Hu , ACS Catal. 2019, 9, 7311.

[38] Q. Wang , Y. Yang , F. Sun , G. Chen , J. Wang , L. Peng , W. T. Chen , L. Shang , J. Zhao , D. Sun-Waterhouse , T. Zhang , G. I. N. Waterhouse , Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2100219.

[39] L. Yu , Y. Li , Y. Ruan , Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 25296.

[40] B. Ji , J. Gou , Y. Zheng , X. Zhou , P. Kidkhunthod , Y. Wang , Q. Tang , Y. Tang , Adv. Mater. 2022, 34, 2202714.

[41] J. Rittle , M. T. Green , Science 2010, 330, 933.

[42] S. P. de Visser , F. Ogliaro , S. Shaik , Chem. Commun. 2001, 2001, 2322.

[43] G. Ren , S. Chen , J. Zhang , N. Zhang , C. Jiao , H. Qiu , C. Liu , H.-L. Wang , J. Mater. Chem. A 2021, 9, 5751.

[44] Z. Liu , Y. Du , P. Zhang , Z. Zhuang , D. Wang , Matter 2021, 4, 3161.

[45] Y. Zhao , R. Nakamura , K. Kamiya , S. Nakanishi , K. Hashimoto , Nat. Commun. 2013, 4, 2390.

[46] Y. Jia , L. Zhang , A. Du , G. Gao , J. Chen , X. Yan , C. L. Brown , X. Yao , Adv. Mater. 2016, 28, 9532.

[47] W. Cheng , P. Yuan , Z. Lv , Y. Guo , Y. Qiao , X. Xue , X. Liu , W. Bai , K. Wang , Q. Xu , J. Zhang , Appl. Catal. B-Environ. 2020, 260, 118198.

[48] R. Cao , R. Thapa , H. Kim , X. Xu , M. Gyu Kim , Q. Li , N. Park , M. Liu , J. Cho , Nat. Commun. 2013, 4, 2076.

[49] Y. Qiao , P. Yuan , Y. Hu , J. Zhang , S. Mu , J. Zhou , H. Li , H. Xia , J. He , Q. Xu , Adv. Mater. 2018, 30, 1804504.

[50] Y. Liu , J. Zhang , S. Wang , K. Wang , Z. Chen , Q. Xu , New J. Chem. 2014, 38, 4045.

[51] Z. Li , Z. Zhuang , F. Lv , H. Zhu , L. Zhou , M. Luo , J. Zhu , Z. Lang , S. Feng , W. Chen , L. Mai , S. Guo , Adv. Mater. 2018, 30, 1803220.

[52] J. Meng , J. Li , J. Liu , X. Zhang , G. Jiang , L. Ma , Z.-Y. Hu , S. Xi , Y. Zhao , M. Yan , P. Wang , X. Liu , Q. Li , J. Z. Liu , T. Wu , L. Mai , ACS Central Sci. 2020, 6, 1431.

[53] Y. Ma , J. Li , X. Liao , W. Luo , W. Huang , J. Meng , Q. Chen , S. Xi , R. Yu , Y. Zhao , L. Zhou , L. Mai , Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2005000.

[54] U. I. Kramm , L. Ni , S. Wagner , Adv. Mater. 2019, 31, 1805623.

[55] J. Li , S. Ghoshal , W. Liang , M.-T. Sougrati , F. Jaouen , B. Halevi , S. McKinney , G. McCool , C. Ma , X. Yuan , Z.-F. Ma , S. Mukerjee , Q. Jia , Energy Environ. Sci. 2016, 9, 2418.

[56] E. Luo , Y. Chu , J. Liu , Z. Shi , S. Zhu , L. Gong , J. Ge , C. H. Choi , C. Liu , W. Xing , Energy Environ. Sci. 2021, 14, 2158.

[57] Z. Chen , H. Niu , J. Ding , H. Liu , P. H. Chen , Y. H. Lu , Y. R. Lu , W. Zuo , L. Han , Y. Guo , S. F. Hung , Y. Zhai , Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 25404.

[58] Y. Lin , K. Liu , K. Chen , Y. Xu , H. Li , J. Hu , Y.-R. Lu , T.-S. Chan , X. Qiu , J. Fu , M. Liu , ACS Catal. 2021, 11, 6304.

[59] K. Chen , K. Liu , P. An , H. Li , Y. Lin , J. Hu , C. Jia , J. Fu , H. Li , H. Liu , Z. Lin , W. Li , J. Li , Y. R. Lu , T. S. Chan , N. Zhang , M. Liu , Nat. Commun. 2020, 11, 4173.

[60] W. J. Jiang , L. Gu , L. Li , Y. Zhang , X. Zhang , L. J. Zhang , J. Q. Wang , J. S. Hu , Z. Wei , L. J. Wan , J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 3570.

[61] J. Liu , Z. Gong , C. Allen , W. Ge , H. Gong , J. Liao , J. Liu , K. Huang , M. Yan , R. Liu , G. He , J. Dong , G. Ye , H. Fei , Chem Catal. 2021, 1, 1291.

[62] R. Lu , C. Quan , C. Zhang , Q. He , X. Liao , Z. Wang , Y. Zhao , Nano Res. 2022, 15, 6067.

[63] D. Deng , L. Yu , X. Chen , G. Wang , L. Jin , X. Pan , J. Deng , G. Sun , X. Bao , Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 371.

[64] W. Wang , Q. Jia , S. Mukerjee , S. Chen , ACS Catal. 2019, 9, 10126.

[65] Z. Wang , X. Jin , C. Zhu , Y. Liu , H. Tan , R. Ku , Y. Zhang , L. Zhou , Z. Liu , S. J. Hwang , H. J. Fan , Adv. Mater. 2021, 33, 2104718.

RIGHTS & PERMISSIONS

2022 The Authors. Energy & Environmental Materials published by John Wiley & Sons Australia, Ltd on behalf of Zhengzhou University.