Pembatasan Pengurangan Oksigen Dua Elektron melalui Sulfur Terkoordinasi Sekunder yang Memungkinkan Baterai Zn-Air dengan Umur Sangat Panjang

Abstrak
Reaksi reduksi oksigen empat elektron langsung (4e− ORR) secara kritis mengatur efisiensi dan masa pakai baterai logam-udara dan sel bahan bakar, namun secara selektif menekan jalur 2e− kompetitif dan 2e− bertahap yang menghasilkan hidrogen peroksida korosif tetap menjadi tantangan utama. Di sini, kami menunjukkan penggabungan strategis atom sulfur terkoordinasi sekunder ke dalam elektrokatalis logam transisi-NC untuk secara efektif mempromosikan 4e− ORR langsung dan secara bersamaan menekan jalur 2e− yang tidak diinginkan. Perhitungan teori fungsional kerapatan (DFT) dan spektroskopi operando mengungkapkan bahwa peningkatan adsorpsi zat antara utama *OOH memfasilitasi pembelahan ikatan O−O yang efisien, yang mendukung selektivitas katalitik yang berubah. Yang penting, pendekatan ini berlaku secara universal untuk berbagai katalis berbasis karbon, termasuk Co-N@C, Ni-N@C, Mn-N@C, dan N@C. Secara khusus, katalis Co-N/Co@C yang dimediasi sulfur, yang terdiri dari situs Co-N4 dan nanopartikel Co, secara drastis menurunkan konstanta laju 2e− O2-ke-H2O2 menjadi hanya 0,05 kali lipat dari nilai aslinya pada 0,78 V. Akibatnya, baterai Zn-air yang menggunakan Co-N/Co@CS sebagai katode menunjukkan kerapatan daya puncak yang luar biasa sebesar 220 mW cm−2, masa pakai yang luar biasa lebih dari 2500 jam, dan kinerja laju yang luar biasa dari 5 hingga 50 mA cm–2. Pekerjaan ini membuka rute yang dapat digeneralisasi untuk merancang elektrokatalis yang sangat aktif dan selektif yang cocok untuk perangkat penyimpanan energi jangka panjang yang canggih.