P‐Orbital Bismuth Single‐Atom Catalyst for Highly Effective Oxygen Electroreduction in Quasi‐Solid Zinc‐Air Batteries

催化作用 材料科学 氧原子 Atom(片上系统) 氧气 氧还原反应 固溶体 无机化学 纳米技术 化学工程 化学 电极 物理化学 电化学 分子 有机化学 冶金 嵌入式系统 计算机科学 工程类
作者
Daijie Deng,Suqin Wu,Henan Li,Huaming Li,Li Xu
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:19 (3): e2205469-e2205469 被引量:62
标识
DOI:10.1002/smll.202205469
摘要

P-block metals have gradually been utilized to synthesize non-noble-metal catalysts for oxygen reduction reaction (ORR) due to the easily tunable localized p-orbitals and resulted versatile electronic structures. The high-density single-atom bismuth sites (Bi-NC) anchored onto nitrogen-doped three-dimensional porous carbon are proved to possess significant electrocatalytic ORR performance. Theoretical calculations unveil positively charged bismuth centers prominently improved the adsorption capacity of N-doped carbon to O2 . The p orbitals of Bi sites within Bi-NC easily generate hybrid states with p orbitals of O2 , thus promoting charge transfer and ultimately reducing the energy barrier of ORR. Benefiting from p-orbital electrons regulation of bismuth atoms, Bi-NC exhibit ORR half-wave potential of 0.86 V (vs RHE). Additionally, both liquid and quasi-solid zinc-air batteries with Bi-NC as air-cathodes achieve higher power density and specific capacity than 20 wt% Pt/C, and comparable stability and round-trip efficiency with 20 wt% Pt/C. The discovery sheds light on the theoretical and practical guidance for p-block metallic single-atom catalysts.
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