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Hydrogel Electrolyte-Mediated In Situ Zn-Anode Modification and the Ru-RuO2/NGr-Coated Cathode for High-Performance Solid-State Rechargeable Zn–Air Batteries

材料科学 电解质 阳极 化学工程 双功能 钝化 催化作用 析氧 表面改性 纳米颗粒 无机化学 纳米技术 电极 电化学 化学 生物化学 工程类 物理化学 图层(电子)
作者
Geeta Pandurang Kharabe,Tushar Verma,Sidharth Barik,Rajashri Urkude,Ayasha Nadeema,Biplab Ghosh,Saïlaja Krishnamurty,Sreekumar Kurungot
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:17 (2): 3188-3204 被引量:5
标识
DOI:10.1021/acsami.4c14231
摘要

This work aims to deal with the challenges associated with designing complementary bifunctional electrocatalysts and a separator/membrane that enables rechargeable zinc-air batteries (RZABs) with nearly solid-state operability. This solid-state RZAB was accomplished by integrating a bifunctional electrocatalyst based on Ru-RuO2 interface nanoparticles supported on nitrogen-doped (N-doped) graphene (Ru-RuO2/NGr) and a dual-doped poly(acrylic acid) hydrogel (d-PAA) electrolyte soaked in KOH with sodium stannate additive. The catalyst shows enhanced activity and stability toward the two oxygen reactions, i.e., oxygen reduction and evolution reactions (ORR and OER), with a very low potential difference (ΔE) of 0.64 V. The computational insights bring out the electronic factors contributing to the enhanced catalytic activity of Ru-RuO2/NGr based on the charge density difference (CDD) between the interfaces. The disadvantages of the existing solid-state RZABs, such as their limited lifespan brought on by passivation, dendritic growth, corrosion, and shape change, have also been taken into account. The introduction of the stannate additive to the electrolyte induced an in situ Zn-anode modification, which subsequently improved the interfacial stability of the ZABs and, hence, the battery life cycles. The experimental observations reveal that, during the charging process, the Sn nanoparticles enable the homogeneous Zn deposition on the surface of the anode. Thus, the in situ Zn-anode surface modification assisted in achieving a high-rate cycle capability, viz., the homemade catalyst-based system exhibited continuous charge-discharge cycles for 20 h at a current density of 2.0 mA cm-2, with each cycle lasting for 5 min.
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