Dual‐Role Zn Engineering Enables Electron Redistribution and Hierarchical Porosity in Co–N 4 Carbon Nanofibers for Efficient Zinc–Air Batteries

材料科学 双功能 多孔性 析氧 化学工程 静电纺丝 纳米技术 电极 吸附 电化学 纳米纤维 碳纳米纤维 碳纤维 再分配(选举) 大规模运输 电解质 功率密度 氧气 金属 电子传输链 电子转移 蒸发 表面工程 纳米结构 金属有机骨架 电流密度
作者
Tuo Lu,Zhengtong Ji,Liyuan Guo,Nengneng Xu,Xiaoqian Xu,Erhong Song,Akichika Kumatani,Jong Min Kim,Mohammadhosein Safari,Jinli Qiao
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:36 (64) 被引量:1
标识
DOI:10.1002/adfm.77161
摘要

ABSTRACT Developing bifunctional oxygen electrocatalysts with both high intrinsic activity and efficient mass transport remains a key challenge for rechargeable zinc–air batteries (ZABs). Herein, a dual‐role Zn engineering strategy is developed to simultaneously regulate the electronic structure and construct hierarchical porosity in Co–N 4 carbon nanofibers (Zn/Co–N@CNF). During the electrospinning–pyrolysis process, Zn acts as an electronic regulator that modulates the electronic environment of neighboring Co–N 4 sites, inducing electron redistribution and a downward shift of the Co d‐band center to −3.43 eV, thereby optimizing the adsorption energetics of oxygen intermediates. Meanwhile, Zn evaporation serves as a dynamic porogen that promotes the generation of highly dispersed Co sites and induces the formation of hierarchical pores, facilitating mass transport and maximizing active‐site accessibility. First‐principles calculations reveal that the Zn–N 4 /Co–N 4 sites enable optimized oxygen‐intermediate adsorption, leading to ultralow theoretical ORR/OER overpotentials of 0.37/0.43 V. Benefiting from this structural–electronic synergy, Zn/Co–N@CNF exhibits excellent bifunctional oxygen electrocatalytic performance with a low ΔE of 755 mV. When employed as an air cathode, the assembled ZAB delivers a high peak power density of 303 mW cm − 2 and remarkable cycling stability exceeding 1150 h without an additional carbon diffusion layer. This work establishes a dual‐role metal engineering strategy that integrates electronic modulation with hierarchical porosity for constructing high‐performance air electrodes for next‐generation zinc–air batteries.
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