In-situ immobilization strategy for single-atom iron sites to enhance oxygen reduction reaction in Zn–air batteries and microbial fuel cells

水溶液 催化作用 材料科学 电催化剂 化学工程 微生物燃料电池 介孔材料 纳米技术 电化学 化学 电极 有机化学 阳极 物理化学 工程类
作者
Yinghua Wang,Lingmin Wu,Konggang Qu,Xiujun Wang,Liming Wang,Baitao Li
出处
期刊:Materials Today Energy [Elsevier BV]
卷期号:44: 101594-101594 被引量:12
标识
DOI:10.1016/j.mtener.2024.101594
摘要

A straightforward and environmentally friendly approach was utilized to synthesize single-atomic Fe-N-C catalyst. In-situ immobilization of Fe3+ during the formation of polydopamine (PDA) and ZIF-8 in aqueous solution effectively prevent metal agglomeration. The mutual promotion of PDA and aqueous solution constructed the hybrid-level porous hollow structure in P-FeNC. This method extends the solution scope from organic solution system to water solution, thus providing fascinating opportunities for investigating metal-N-C catalyst by in-situ mixing various metal salt precursor and dopamine. The optimal P-FeNC catalyst demonstrates superlative oxygen reduction reaction (ORR) performance, with the half-wave potentials (E1/2) of 0.886 V, 0.790 V and 0.720 V in 0.1 M KOH, 0.5 M H2SO4 and 0.05 M PBS solutions, which exceeded commercial 20 wt% Pt/C. The combinatorial impacts of highly-dense FeN4 active sites and interconnected hierarchical mesopores/macropores are presumed to underpin the observed enhancement in ORR performance. Further evaluations show that the power densities of P-FeNC equipped zinc-air battery (ZAB) and microbial fuel cell (MFC) are 460 mW cm-2 and 3083 ± 10 mW m-2, respectively. This study confirms the feasibility to design the innovative single-atom catalyst in aqueous solution and provides constructive ideas to employ the high-performance P-FeNC electrocatalyst in ZABs and MFCs.
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