Carbon Nanotubes Assembled Ordered Macro‐Microporous Superstructure as Bifunctional Oxygen Electrocatalyst for Long‐Life Rechargeable Zn–Air Batteries

材料科学 过电位 电催化剂 碳纳米管 上部结构 双功能 催化作用 纳米技术 化学工程 析氧 透射电子显微镜 制作 双功能催化剂 密度泛函理论 纳米颗粒 电子转移 碳纤维 多孔性 电池(电) 扫描透射电子显微镜 电导率 电子结构 模板方法模式
作者
Shilong Wen,Ke Ma,Yongfang Zhang,Ying Wang,Wenjie Yu,Liyang Shao,Xue Yang,Yanchao Zhao,Cong Han,Ruixue Wang,Jianxing Shen,Enyan Guo,Liting Yan,Lili Han,Xuebo Zhao,L. Wang
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:36 (37) 被引量:3
标识
DOI:10.1002/adfm.202531733
摘要

ABSTRACT Achieving precise fabrication of ordered superstructures with multifunctional catalytic activity is fascinating but elusive due to uncontrollable interfacial energy and growth kinetics at the material surface. Herein, we develop a facile strategy for oriented formation of carbon nanotubes (CNT) anchored on three‐dimensionally ordered macro‐microporous (3DOM) superstructure derived from a Co‐based 3DOM metal‐organic framework (3DOM‐MOF). Mechanism studies based on density functional theory (DFT) calculations and in situ spectroscopy reveal that the synergistic coupling of curved CNTs supports and Co nanoparticles in the as‐prepared Co‐based porous superstructures CNTs catalysts (Co‐HOPS‐CNTs 20D ) can regulate the electronic structure of the isolated Co‐N 4 sites, thus optimizing the binding strength of the oxygenated intermediates and facilitating intrinsic catalyst activity. The unique feature of the superstructure is validated using 3D transmission electron microscopy tomography, and the corresponding finite element analysis (FEA) simulations prove enhanced conductivity of Co‐HOPS‐CNTs 20D superstructure, which facilitates transfer efficiency of electrons and improves catalytic activity. As a result, the Co‐HOPS‐CNTs 20D exhibits a low overpotential of 287 mV at 10 mA cm −2 for OER and a high ORR half‐wave potential of 0.863 V. The zinc‐air battery incorporating Co‐HOPS‐CNTs 20D demonstrates efficient and stable operation over a period of 160 h.
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