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Porphyrinic MOF-derived rich N-doped porous carbon with highly active CoN4C single-atom sites for enhanced oxygen reduction reaction and Zn-air batteries performance

材料科学 塔菲尔方程 催化作用 密度泛函理论 电池(电) 化学工程 纳米孔 吸附 纳米技术 无机化学 物理化学 电极 计算化学 电化学 有机化学 物理 工程类 量子力学 功率(物理) 化学
作者
Jian Rong,Erhao Gao,Ningchao Liu,Wangyi Chen,Xinshan Rong,Yuzhe Zhang,Xudong Zheng,Huaisheng Ao,Songlin Xue,Bei Huang,Zhongyu Li,Fengxian Qiu,Yitai Qian
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:56: 165-173 被引量:104
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2023.01.022
摘要

Development of high-performance single-atom catalysts (SACs) for oxygen reduction reaction (ORR) has received extensive attention. However, unsatisfactory loading and utilization of metal single-atom sites largely limit the catalytic efficiency. Herein, two dimensional (2D) nanoporous Co single-atom decorated nitrogen-doped carbon catalyst (NP-CoSANC) was prepared by the pyrolysis of urea-adsorbed Co-TPyP MOF precursor. The adsorbed urea was proven to effectively inhibit metal ion agglomeration and create flourishing pore structures simultaneously. Benefit from the high-density CoN4C single-atom sites and porous structure, NP-CoSANC presents superior ORR performance with high E1/2 of 0.86 V and low Tafel slope of 62.4 mV dec−1 in 0.1 M KOH solution, surpassing most of advanced transition metal ORR catalysts and even commercial 20% Pt/C. The density functional theory calculations reveal that defect-edge and N-rich doped CoN4C sites in NP-CoSANC endow it with a lower free energy barrier to direct 4e− ORR pathway compared to traditional center CoN4C model. As a proof of concept, homemade aqueous primary and flexible quasi-solid-state Zn-air battery exhibit high peak power density as well as charge/discharge stability. This work proposes a facile and effective approach for constructing high-performance SACs electrocatalysts and provides a rational guidance in next-generation energy storage and conversion devices.
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