Geometric and Electronic Engineering of Atomically Dispersed Copper‐Cobalt Diatomic Sites for Synergistic Promotion of Bifunctional Oxygen Electrocatalysis in Zinc–Air Batteries

双功能 电催化剂 析氧 过电位 材料科学 无机化学 氧气 电化学 催化作用 化学工程 化学 电极 物理化学 冶金 有机化学 工程类
作者
Zhijun Li,Siqi Ji,Chun Wang,Hongxue Liu,Leipeng Leng,Lei Du,Jincheng Gao,Man Qiao,J. Hugh Horton,Yu Wang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:35 (25) 被引量:144
标识
DOI:10.1002/adma.202300905
摘要

The development of rechargeable zinc-air batteries is heavily dependent on bifunctional oxygen electrocatalysts to offer exceptional oxygen reduction/evolution reaction (ORR/OER) activities. However, the design of such electrocatalysts with high activity and durability is challenging. Herein, a strategy is proposed to create an electrocatalyst comprised of copper-cobalt diatomic sites on a highly porous nitrogen-doped carbon matrix (Cu-Co/NC) with abundantly accessible metal sites and optimal geometric and electronic structures. Experimental findings and theoretical calculations demonstrate that the synergistic effect of Cu-Co dual-metal sites with metal-N4 coordination induce asymmetric charge distributions with moderate adsorption/desorption behavior with oxygen intermediates. This electrocatalyst exhibits extraordinary bifunctional oxygen electrocatalytic activities in alkaline media, with a half-wave potential of 0.92 V for ORR and a low overpotential of 335 mV at 10 mA cm-2 for OER. In addition, it demonstrates exceptional ORR activity in acidic (0.85 V) and neutral (0.74 V) media. When applied to a zinc-air battery, it achieves extraordinary operational performance and outstanding durability (510 h), ranking it as one of the most efficient bifunctional electrocatalysts reported to date. This work demonstrates the importance of geometric and electronic engineering of isolated dual-metal sites for boosting bifunctional electrocatalytic activity in electrochemical energy devices.
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