Theory‐Guided Regulation of FeN4Spin State by Neighboring Cu Atoms for Enhanced Oxygen Reduction Electrocatalysis in Flexible Metal–Air Batteries

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作者
Ting He,Yang Chen,Qiming Liu,Bingzhang Lu,Xianwen Song,Hongtao Liu,Min Liu,You‐Nian Liu,Yi Zhang,Xiaoping Ouyang,Shaowei Chen
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:61 (27) 被引量:145
标识
DOI:10.1002/anie.202201007
摘要

Iron, nitrogen-codoped carbon (Fe-N-C) nanocomposites have emerged as viable electrocatalysts for the oxygen reduction reaction (ORR) due to the formation of FeNx Cy coordination moieties. In this study, results from first-principles calculations show a nearly linear correlation of the energy barriers of key reaction steps with the Fe magnetic moment. Experimentally, when single Cu sites are incorporated into Fe-N-C aerogels (denoted as NCAG/Fe-Cu), the Fe centers exhibit a reduced magnetic moment and markedly enhanced ORR activity within a wide pH range of 0-14. With the NCAG/Fe-Cu nanocomposites used as the cathode catalyst in a neutral/quasi-solid aluminum-air and alkaline/quasi-solid zinc-air battery, both achieve a remarkable performance with an ultrahigh open-circuit voltage of 2.00 and 1.51 V, large power density of 130 and 186 mW cm-2 , and good mechanical flexibility, all markedly better than those with commercial Pt/C or Pt/C-RuO2 catalysts at the cathode.
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