Co3O4/Mn3O4 hybrid catalysts with heterointerfaces as bifunctional catalysts for Zn-air batteries

催化作用 双功能 石墨烯 材料科学 阴极 化学工程 双功能催化剂 电解质 氧化物 析氧 纳米技术 电化学 化学 电极 冶金 物理化学 有机化学 工程类
作者
Qikai Huang,Xiongwei Zhong,Qi Zhang,Xin Wu,Miaolun Jiao,Biao Chen,Jinzhi Sheng,Guangmin Zhou
出处
期刊:Journal of Energy Chemistry [Elsevier BV]
卷期号:68: 679-687 被引量:70
标识
DOI:10.1016/j.jechem.2021.12.032
摘要

Zinc-air batteries (ZABs) with high energy density and safety are promising as next-generation energy storage systems, while their applications are severely hindered by the sluggish reaction kinetic of air cathodes. Developing a bifunctional catalyst with high activity and durability is an effective strategy to address the above challenges. Herein, a Co3O4/Mn3O4 nanohybrid with heterointerfaces is designed as advanced cathode catalyst for ZABs. Density functional theory calculations show the heterogeneous interface between Co3O4/Mn3O4 can improve the dynamics of carrier transport and thus enhancing the catalytic activity and durability. The Co3O4/Mn3O4 catalyst anchored on reduced graphene oxide (rGO) exhibits high oxygen reduction reaction (ORR) activity with a half-wave potential of 0.86 V, and excellent oxygen evolution reaction (OER) activity with the potential of 1.59 V at 10 mA cm−2, which are comparable to the commercial noble metal catalysts. The improved ORR/OER catalytic activity is ascribed to the synergistic effect of heterointerfaces between Co3O4 and Mn3O4 as well as the improved conductivity and contact area of oxygen/catalysts/electrolytes three-phase interface by rGO. Furthermore, a home-made ZAB based on Co3O4/Mn3O4/rGO shows a high open circuit voltage of 1.54 V, a large power density of 194.6 mW cm−2 and good long-term cycling stability of nearly 400 h at 5 mA cm−2, which affords a promising bifunctional oxygen catalyst for rechargeable ZABs.
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