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Co2P-Assisted Atomic Co–N4 Active Sites with a Tailored Electronic Structure Enabling Efficient ORR/OER for Rechargeable Zn–Air Batteries

材料科学 过电位 电催化剂 化学工程 催化作用 析氧 双功能 纳米技术 电极 电化学 物理化学 化学 有机化学 工程类
作者
Xiaoyan Liu,Jinfeng Wu,Zhuyu Luo,Ping Liu,Yue Tian,Xuewei Wang,Hexing Li
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (7): 9240-9249 被引量:42
标识
DOI:10.1021/acsami.2c19713
摘要

Oxygen reduction and evolution reactions (ORR and OER, respectively) are vital steps for metal-air batteries, which are plagued by their sluggish kinetics. It is still a challenge to develop highly effective and low-cost non-noble-metal-based electrocatalysts. Herein, a simple and reliable method was reported to synthesize a Co2P-assisted Co single-atom (Co-N4 centers) electrocatalyst (Co2P/Co-NC) via evaporative drying and pyrolysis processes. The Co2P nanoparticles and Co-N4 centers are uniformly distributed on the nitrogen-doped carbon matrix. Notably, Co2P/Co-NC showed excellent activities in both ORR (initial potential, 1.01 V; half-wave potential, 0.88 V) and OER (overpotential, 369 mV at 10 mA cm-2). The above results were comparable to those of commercial catalysts (such as Pt/C and RuO2). Based on the experimental and theoretical analyses, the impressive activity can be ascribed to the tailored electronic structure of Co-N4 centers by the adjacent Co2P, enabling the electron transfer from the Co atom to the neighboring C atoms, leading to a downshift of the d-band center, and improved reaction kinetics were achieved. The assembled Zn-air batteries using Co2P/Co-NC as the air cathode showed a peak power density of 187 mW cm-2 and long-life cycling stability for 140 h at 5 mA cm-2. This work may pave a promising avenue to design hybrid bifunctional electrocatalysts for highly efficient ORR/OER.
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