Boosting oxygen-reduction catalysis over mononuclear CuN2+2 moiety for rechargeable Zn-air battery

塔菲尔方程 催化作用 电催化剂 电池(电) 电化学 化学 热解 化学工程 电极 物理化学 热力学 有机化学 物理 工程类 功率(物理)
作者
Jinwen Hu,Xiangbin Cai,Jiao Wu,Cuncun Xin,Jingya Guo,Ziruo Liu,Jiazhen Wei,Xusheng Cheng,Ce Hao,Haopeng Dong,Guifeng Zhang,Ning Wang,Yongpeng Lei,Wei Liu,Yantao Shi
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:430: 133105-133105 被引量:21
标识
DOI:10.1016/j.cej.2021.133105
摘要

The molten salt assisted pyrolysis strategy is proposed to directly transform bulk metal into isolated single-atom sites, by which Cu-based single-atom catalyst can be prepared successfully and the catalyst demonstrates superior ORR activity as well as excellent Zn-air battery performance. • CuN 2+2 /C was prepared by molten-salt-assisted pyrolysis. • CuN 2+2 /C delivers remarkable alkaline ORR activity, outperforming that of Pt/C. • Excellent battery performance signifies the potential for practical applications. Endowing the transition-metal-nitrogen-carbon (M-N-Cs) electrocatalysts with high oxygen reduction activity for sustainable energy conversion, is a field of intense research while remains elusive. Here we exploit the variable configuration of atomically dispersed Cu 1 centers on carbon support via rationally constructing prototypical CuN 2+2 active sites to boost the kinetically sluggish electrochemical oxygen reduction. Density functional theory reveals the modified electronic structure of active Cu site and its derived orbital overlap through right symmetry with the degenerate π* orbital of O 2 molecule, which more effectively facilitates O 2 activation compared with CuN 4 counterpart. The targeted electrocatalyst delivers superior alkaline ORR activity with a half-wave potential of 0.88 V and superior kinetics with Tafel slope of 48 mV dec −1 , outperforming those of benchmark Pt/C. Remarkably, further demonstrated excellent peak power density and long-term durability in both primary liquid and flexible solid-state Zn-air battery assemblies signify the potential for practical applications.

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