Understanding the Synergistic Effects of Cobalt Single Atoms and Small Nanoparticles: Enhancing Oxygen Reduction Reaction Catalytic Activity and Stability for Zinc‐Air Batteries

催化作用 材料科学 钴 氧还原反应 化学工程 纳米颗粒 吸附 纳米笼 碳纤维 无机化学 电化学 纳米技术 化学 电极 物理化学 有机化学 冶金 复合材料 工程类 复合数
作者
Zhe Wang,Chao Zhu,Hua Tan,Jan Liu,Lulu Xu,Yongqi Zhang,Yipu Liu,Xiaoxin Zou,Zheng Liu,Xuehong Lu
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:31 (45) 被引量:260
标识
DOI:10.1002/adfm.202104735
摘要

Abstract The development of earth‐abundant oxygen reduction reaction (ORR) catalysts with high catalytic activity and good stability for practical metal‐air batteries remains an enormous challenge. Herein, a highly efficient and durable ORR catalyst is reported, which consists of atomically dispersed Co single atoms (Co‐SAs) in the form of Co‐N4 moieties and small Co nanoparticles (Co‐SNPs) co‐anchored on nitrogen‐doped porous carbon nanocage (Co‐SAs/SNPs@NC). Benefiting from the synergistic effect of Co‐SAs and Co‐SNPs as well as the enhanced anticorrosion capability of the carbon matrix brought by its improved graphitization degree, the resultant Co‐SAs/SNPs@NC catalyst exhibits outstanding ORR activity and remarkable stability in alkaline media, outperforming Co‐SAs‐based catalyst (Co‐SAs@NC), and benchmark Pt/C catalyst. Density functional theory calculations reveal that the strong interaction between Co‐SNPs and Co‐N4 sites can increase the valence state of the active Co atoms in Co‐SAs/SNPs@NC and moderate the adsorption free energy of ORR intermediates, thus facilitating the reduction of O2. Moreover, the practical zinc‐air battery assembled with Co‐SAs/SNPs@NC catalyst demonstrates a maximum power density of 223.5 mW cm–2, a high specific capacity of 742 W h kg–1 at 50 mA cm–2 and a superior cycling stability.
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