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Serrated Leaf‐Like N‐Doped Copper Sulfide Enabling Bifunctional Oxygen Reduction/Evolution via Dual‐Mode Cathode Reactions for High Energy Density and Cycle Stability in Zinc–Air Batteries

阴极 电化学 硫化铜 化学 氧气 硫化物 密度泛函理论 无机化学 离解(化学) 氧化物 材料科学 化学工程 电极 物理化学 计算化学 有机化学 工程类
作者
Do Hwan Jung,Yong Hak Park,Dong Won Kim,Jong Hui Choi,Sung June Cho,Keon‐Han Kim,Dong Gyu Park,Byungchan Han,Jeung Ku Kang
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
被引量:1
标识
DOI:10.1002/advs.202413425
摘要

Abstract Zinc–air batteries (ZABs) are promising electrochemical energy storages, but inefficient oxygen reduction reaction (ORR) during discharging and oxygen evolution reaction (OER) during charging at their cathodes impede achieving high energy density and stable cycling. We report a serrated leaf‐like nitrogen‐doped copper sulfide (N‐CuS) cathode with conductive N 2p‐S 3p hybridized orbitals, oxygen‐transporting mesopores, and about fivefold larger surface area than Cu. A ZAB with the N‐CuS cathode exhibits a 788 mAh g −1 capacity (96% of theoretical) and a hitherto highest energy density of 916.0 Wh kg −1 , surpassing one with the state‐of‐the‐art Pt/C+RuO₂ cathode (712.43 mAh g −1 and 874 Wh kg −1 ). Density functional theory calculations elucidate that O═O bond dissociation is 0.97 eV more favorable on N‐CuS than CuS. Subsequently, protonation of surface‐adsorbed *O to *OH occurs via dissociate (0.55 V), non‐spit associate (1.05 V), and split associate (1.05 V) pathways, with *OH then desorbing as OH ‐ . Under anaerobic conditions, copper oxide transitions from CuO to Cu 2 O (1.05 V) and eventually to Cu (0.75 V) releasing oxygen to sustain ORR. Additionally, a ZAB with the N‐CuS cathode achieves about threefold longer cyclability than one with the Pt/C+IrO₂ cathode, and about six‐fold longer cyclability than one with the Pt/C+RuO₂ cathode.
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