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Asymmetric Mn/Fe Dual Single‐Atom Catalysts for pH‐Universal Oxygen Electroreduction and Sustainable Metal‐Air Batteries

催化作用 材料科学 电解质 金属 热解 吸附 电化学 化学工程 氧气 阴极 无机化学 物理化学 电极 化学 冶金 有机化学 工程类
作者
Qichen Wang,Bingxian Chu,Chunyan Shang,Bing Shao,Fei Yang,Dai Dang,Lei Li,Meng Gu,Xinke Xiao,Qiang Xü
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:37 (41): e14343-e14343 被引量:19
标识
DOI:10.1002/adma.202414343
摘要

Abstract Conquering the sluggish kinetics of the oxygen reduction reaction (ORR) is significantly important for sustainable metal‐air batteries. However, the synthesis of advanced Pt‐free ORR electrocatalysts still remains challenging owing to the intrinsic activity, site accessibility, and structural stability. Herein, a catalyst of asymmetric N, P‐coordinated Mn and Fe dual single atoms supported on hollow carbon polyhedra (MnFe‐PNC) is synthesized via a metal‐organic framework pyrolysis strategy, which displays excellent pH‐universal ORR performance with half‐wave potentials of 0.923 V in 0.1 m KOH, 0.803 V in 0.1 m HClO 4 , and 0.774 V in 1 m phosphate buffer solution. Theoretical calculations reveal that the distance‐dependent electronic interaction between Mn‐N 3 P and Fe‐N 3 P structures at the atomic level plays a crucial role in optimizing the adsorption strength of *OH intermediate and consequently boosts ORR performance. Furthermore, the aqueous Zn/Al‐air batteries using MnFe‐PNC cathode catalyst show ultralong discharge stability and wide‐temperature adaptability. Meanwhile, combined with an anti‐freezing and zincophilic organohydrogel electrolyte, the MnFe‐PNC‐based quasi‐solid‐state Zn‐air batteries exhibit robust cycling stability (130 h at 50 mA cm −2 and 70 h at 100 mA cm −2 ), an unprecedented discharge capacity of 1.30 Ah at −40 °C, and smooth operation over a broad temperature range of −40 to 60 °C.
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