Bifunctional platinum group metal-free iron–manganese catalyst for long-term rechargeable zinc-air batteries

Rechargeable zinc-air batteries (ZABs) are promising for sustainable energy storage; however, their widespread application is limited by the high cost and scarcity of platinum group metal (PGM) catalysts. This study presents a novel platinum group metals- and cobalt-free bimetallic Fe/Mn catalyst, synthesized via a sol–gel method with urea and surfactants, followed by low-temperature thermal treatments. Two thermal routes were investigated: one in air and another in ammonia flow. Characterization by SEM, BET, TGA-DTA, FTIR, Raman, and XRD revealed distinct structural differences. The ammonia-treated catalyst showed a high surface area (182 m 2 /g) and incorporation of nitrogen and carbon into the structure, forming nitrides and graphitic carbon, which contributed to enhanced porosity and catalytic performance. Electrochemical tests confirmed bifunctional activity for both the oxygen reduction (ORR) and oxygen evolution (OER) reactions. Notably, the NH 3 -treated catalyst demonstrated superior long-term stability during galvanostatic cycling in a ZAB setup. These findings highlight the potential of Fe/Mn-based, PGM-free catalysts for the development of long-life rechargeable ZABs, emphasizing the beneficial role of nitrogen incorporation in improving structural stability and catalytic efficiency. . Las baterías recargables de zinc-aire (ZABs) son una alternativa prometedora para el almacenamiento sostenible de energía. No obstante, su aplicación a gran escala se ve limitada por el alto costo y la escasez de catalizadores basados en metales del grupo del platino (PGM). Este estudio presenta un nuevo catalizador bimetálico de hierro-manganeso (Fe/Mn), libre de PGM y de cobalto, sintetizado mediante el método sol-gel combinado con urea y surfactantes, seguido de tratamientos térmicos a baja temperatura. Se evaluaron dos rutas térmicas: una en atmósfera de aire (100-600-Aire) y otra en flujo de amoníaco (220-800-NH 3 ). Las técnicas de caracterización (SEM, BET, TGA-DTA, FTIR, Raman y XRD) revelaron diferencias estructurales notables. El catalizador tratado con NH 3 mostró una elevada superficie específica (182 m 2 /g) y la incorporación de nitrógeno y carbono en su estructura, formando nitruros y carbono grafítico, lo que se relacionó con una mayor porosidad y desempeño catalítico. Los ensayos electroquímicos confirmaron la actividad bifuncional para las reacciones de reducción (ORR) y evolución (OER) del oxígeno. En particular, el catalizador tratado con amoníaco mostró una excelente estabilidad operativa a largo plazo durante ciclos galvanoestáticos en configuración de ZAB. Estos resultados confirman la viabilidad del uso de catalizadores Fe/Mn sin PGM, de bajo costo y larga vida útil, siendo clave la incorporación de nitrógeno para su estabilidad estructural y eficiencia catalítica.