Multi-Heteroatom-Doping and Defect Co-Engineered Hollow Carbon Nanocages for Ultralong-Cycle Zinc–Air Batteries

纳米笼 杂原子 材料科学 兴奋剂 碳纤维 纳米技术 热解 硫黄 化学工程 化学 光电子学 冶金 催化作用 有机化学 复合材料 工程类 戒指(化学) 复合数
作者
Xia Chen,Jingyu Guan,Yong Zheng,Ruifeng Chen,Minghui Lv,Yan Yan,Min Chen,Mingkai Liu,Xinlong Tian,Liqun Ye
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:25 (30): 11713-11722 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.5c02855
摘要

Developing cost-effective oxygen reduction reaction (ORR) electrocatalysts with simultaneously enhanced activity and durability remains a critical challenge for zinc-air batteries (ZABs). Herein, a multi-heteroatom-doping and defect co-engineering strategy is proposed to construct nitrogen, phosphorus, and sulfur tridoped hollow carbon nanocages (NPS-HCs) through a facile template-induced pyrolysis of a ZIF-8@PZS precursor. The synergistic effect of multi-heteroatom doping and introducing defects creates abundant active species, while the hollow architecture facilitates mass/electron transport during the ORR process. As a result, the optimized NPS-HC-900 catalyst demonstrates exceptional ORR performance with a high half-wave potential (E1/2 = 0.87 V vs RHE). Impressively, the NPS-HC-900 + IrO2-assembled rechargeable ZABs achieve an ultralong cycling stability over 1000 h. In situ spectroscopy and theoretical calculations verify that this synergistic effect promotes the conversion of key intermediate *OOH to *O, thereby significantly facilitating the ORR o. This work provides a paradigm-shifting platform for designing high-performance multi-heteroatom-doped carbon electrocatalysts via synergistic defect engineering.
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