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Boosting the Oxygen Reduction Reaction in Zn–Air Batteries via a Uniform Trace N-Doped Carbon-Based Pore Structure

限制电流 兴奋剂 催化作用 电解质 材料科学 氧气 化学工程 碳纤维 限制 氮气 无机化学 电化学 电极 化学 复合材料 复合数 物理化学 有机化学 光电子学 工程类 机械工程
作者
Qi Yang,Rumeng Liu,Juanjuan Gao,Yue Liu,Shen Hu,Haiou Song,Shupeng Zhang
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
卷期号:5 (1): 1041-1051 被引量:21
标识
DOI:10.1021/acsaem.1c03424
摘要

Zn–air batteries (ZABs) have attracted significant research interest due to their low cost, high safety, and large energy density. The oxygen reduction reaction (ORR) in ZABs can be boosted by employing an effective catalyst. The construction of an ORR catalyst comparable to commercial Pt/C remains a considerable challenge without introducing metal atoms due to the sluggish reaction kinetics. Herein, a nitrogen-doped carbon-based material with a uniform porous structure was constructed by the ingenious cooperation of urea and sodium chloride. The obtained catalyst (USPC) exhibited an onset potential of 0.939 V, a half-wave potential of 0.849 V, and a limiting current of 5.72 mA cm–2 in a 0.1 M KOH electrolyte. After 5000 cyclic voltammetry cycles, the limiting current density of the USPC decreased by 0.16 mA cm–2, and there was no negative shift in the half-wave potential. The assembled ZAB displayed a maximum power density of 167 mW cm–2, with an excellent specific capacity of 782 mA h g–1 at 10 mA cm–2 and good galvanostatic discharge–charge cycling durability, which were significantly improved compared to those of Pt/C. The pore size, chemical composition, and nitrogen content were not the controlling factors for the USPC in improving the ORR performance. Doping trace amounts of nitrogen could significantly promote the onset potential (vs RHE), and the uniform and fine nanopores could effectively increase the limiting current, that is, an improvement in ORR activity. This work illustrates the importance of the origin of the catalytic activity and promotes the development of high-performance ZABs.
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