MOF-assisted synthesis of Ni, Co, Zn, and N multidoped porous carbon as highly efficient oxygen reduction electrocatalysts in Zn–air batteries

材料科学 电催化剂 催化作用 沸石咪唑盐骨架 化学工程 无机化学 热解 甲醇 碳纤维 电化学 金属有机骨架 电极 冶金 化学 有机化学 复合材料 物理化学 吸附 复合数 工程类
作者
Kexin Huang,Chang-Long Rong,Weiwu Zhang,Xiulin Yang,Youjun Fan,Lingxiang Liu,Zhengyu Yang,W. Chen,Jun Yang
出处
期刊:Materials Today Energy [Elsevier]
卷期号:19: 100579-100579 被引量:52
标识
DOI:10.1016/j.mtener.2020.100579
摘要

Abstract It is an urgent demand to develop cost-effective and efficient non-noble metal electrocatalysts for oxygen reduction reaction (ORR), the key cathodic reaction of fuel cells and metal–air batteries. In this regard, we herein propose a one-pot strategy to produce porous carbon electrocatalysts multidoped by nickel (Ni), cobalt (Co), zinc (Zn), and nitrogen (N). Typically, appropriate metal precursors are aged with 2-methylimidazole in methanol to obtain Ni and Co co-doped Zn-based zeolitic imidazolate frameworks (Ni-Co-ZIF-8) for the final formation of Ni, Co, Zn, and N multi-doped porous carbon (Ni-Co-Zn-N-PC) through pyrolysis, in which cavities and pores are created because of the Zn evaporation at high temperature, while the Co-N bonds in Ni-Co-ZIF-8 could be inherited. The cavities, Co-N active sites and additional synergies among different metals that improve the electrical conductivity of the catalyst collectively promote the ORR catalytic performance of Ni-Co-Zn-N-PC. In specific, the as-prepared Ni-Co-Zn-N-PC features favorable ORR electrocatalysis in a half-wave potential of ca. 0.864 V, limited current density of ca. 6.40 mA cm−2, superior long-term stability, and strong anti-interference to methanol. In addition, a zinc–air battery using Ni-Co-Zn-N-PC as air-cathode catalyst exhibits good performances in terms of open-circuit voltage, power density, specific capacity, and durability, suggesting its promise in practical energy conversion devices.
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