Constructing molecule-metal relay catalysis over heterophase metallene for high-performance rechargeable zinc-nitrate/ethanol batteries

催化作用 硝酸盐 金属 乙醇 锌 化学 无机化学 硝酸锌 分子 继电器 材料科学 化学工程 冶金 有机化学 工程类 功率(物理) 物理 量子力学
作者
Jingwen Zhou,Yuecheng Xiong,Mingzi Sun,Zhihang Xu,Yunhao Wang,Pengyi Lu,Fu Liu,Fengkun Hao,Tianyi Feng,Yangbo Ma,Jinwen Yin,Chenliang Ye,Biao Chen,Shibo Xi,Ye Zhu,Bolong Huang,Zhanxi Fan
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:120 (50): e2311149120-e2311149120 被引量:122
标识
DOI:10.1073/pnas.2311149120
摘要

Zinc-nitrate batteries can integrate energy supply, ammonia electrosynthesis, and sewage disposal into one electrochemical device. However, current zinc-nitrate batteries still severely suffer from the limited energy density and poor rechargeability. Here, we report the synthesis of tetraphenylporphyrin (tpp)-modified heterophase (amorphous/crystalline) rhodium-copper alloy metallenes (RhCu M-tpp). Using RhCu M-tpp as a bifunctional catalyst for nitrate reduction reaction (NO 3 RR) and ethanol oxidation reaction in neutral solution, a highly rechargeable and low-overpotential zinc-nitrate/ethanol battery is successfully constructed, which exhibits outstanding energy density of 117364.6 Wh kg −1 cat , superior rate capability, excellent cycling stability of ~400 cycles, and potential ammonium acetate production. Ex/in situ experimental studies and theoretical calculations reveal that there is a molecule-metal relay catalysis in NO 3 RR over RhCu M-tpp that significantly facilitates the ammonia selectivity and reaction kinetics via a low energy barrier pathway. This work provides an effective design strategy of multifunctional metal-based catalysts toward the high-performance zinc-based hybrid energy systems.
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