Vacancy Defect-Rich Perovskite SrTiO 3 /Ti 3 C 2 Heterostructures In Situ Derived from Ti 3 C 2 MXenes with Exceptional Oxygen Catalytic Activity for Advanced Zn–Air Batteries

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作者
Xiaobin Hui,Peng Zhang,Zhongxiao Wang,Danyang Zhao,Zhaoqiang Li,Zhiwei Zhang,Chengxiang Wang,Longwei Yin
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
卷期号:5 (5): 6100-6109 被引量:42
标识
DOI:10.1021/acsaem.2c00494
摘要

The electrochemical performance enhancement for Zn–air batteries (ZABs) based on a perovskite SrTiO 3 electrocatalyst is seriously obstructed by sluggish oxygen reduction and evolution reaction (ORR/OER) kinetics. Herein, we develop an in situ phase transformation strategy to synthesize Ti 3 C 2 @SrTiO 3 MXene nanocomposites as a bifunctional electrocatalyst for ZABs. The Ti 3 C 2 @SrTiO 3 heterostructures guarantee excellent structural stability and promote interfacial charge transfer to accelerate the electrocatalytic redox kinetics. Ti 3 C 2 MXene not only promotes fast electronic/ionic transfer but also stably anchors SrTiO 3 nanocubes without aggregation to provide abundant catalytic active sites and prominent structural stability. Advantageous oxygen vacancies introduced in SrTiO 3 nanocrystals could effectively regulate the electronic structure of active sites, triggering higher intrinsic electrocatalytic activity. Furthermore, Ti vacancies in the MXene display an important synergetic effect to promote the electron transfer in Ti 3 C 2 @SrTiO 3 heterostructures. Theory calculations reveal that abundant vacancy defects substantially strengthen the oxygen intermediates’ adsorption ability on the Ti 3 C 2 @SrTiO 3 catalyst, essentially lowering the energy barrier for the ORR/OER process. As expected, the ZABs based on the Ti 3 C 2 @SrTiO 3 catalyst exhibit exceptional electrochemical performance, an extraordinary open-circuit voltage of 1.44 V, and an essentially improved power density of 122 mW cm –2 . The in situ transformation and defect modulation strategies provide enlightening clues to design a high-performance ZAB cathode catalyst.
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