Composition Regulation and Morphological Engineering of Fe/Fe3O4 Nanoparticle-Embedded N-Doped Carbon Nanotube with Improved Oxygen Reduction Reaction for Zinc-Air Batteries

材料科学 碳纳米管 纳米颗粒 氧还原反应 兴奋剂 氧气 碳纤维 纳米技术 化学工程 物理化学 复合数 电化学 冶金 电极 光电子学 有机化学 复合材料 化学 工程类
作者
Hui Chang,Yichen Zhou,Peng‐Fei Wang,Zonglin Liu,Jie Shu,Ting‐Feng Yi
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:17 (31): 44449-44458
标识
DOI:10.1021/acsami.5c08221
摘要

The construction of high-performance and low-cost oxygen reduction electrocatalysts is crucial for the commercialization of zinc-air batteries (ZABs). One-dimensional (1D) carbon nanotubes have the advantage of an open structure that facilitates the diffusion of ions and reaction products and provides abundant active sites. In this work, a 1D Fe/Fe3O4-embedded N-doped carbon nanotube (Fe3O4/Fe-N-CNT) with high catalytic activity is prepared by a simple mechanical mixing and secondary calcination method. The Fe3O4/Fe-N-CNT with its unique 1D carbon nanotube structure and large specific surface area, facilitates electron transport and exposes more active centers. The interaction between Fe/Fe3O4 nanoparticles and the N-doped carbon material promotes the oxygen reduction reaction (ORR). The obtained Fe3O4/Fe-N-CNT catalyst has a high half-wave potential (E1/2 = 0.85 V vs RHE), which is significantly better than the Pt/C catalyst (E1/2 = 0.8253 V vs RHE). Meanwhile, the Fe3O4/Fe-N-CNT-assembled ZABs achieve a larger power density of 148 mW cm-2 than Pt/C based ZABs (110 mW cm-2), confirming its commercialization potential. These findings indicate that morphology and composition regulation are important in guiding the electrocatalytic performance of the catalysts.
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