MOF-derived CoNi,CoO,NiO@N–C bifunctional oxygen electrocatalysts for liquid and all-solid-state Zn–air batteries

过电位 双功能 材料科学 催化作用 析氧 氧化物 碳纤维 化学工程 电化学 非阻塞I/O 炭黑 氧气 金属 无机化学 化学 电极 复合材料 冶金 复合数 物理化学 有机化学 天然橡胶 工程类
作者
Xinde Duan,Shuangshuang Ren,Fa-Yuan Ge,Xukun Zhu,Ming‐Dao Zhang,He‐Gen Zheng
出处
期刊:Nanoscale [Royal Society of Chemistry]
卷期号:13 (41): 17655-17662 被引量:16
标识
DOI:10.1039/d1nr04537g
摘要

Metal-organic framework (MOF)-derived carbon composites with embedded metal alloy/metal oxides have attracted much attention due to their low-cost and excellent electrochemical reactivity. However, the drawback of this concept is the severe carbon evaporation during their synthesis, resulting in a reduction of active sites and catalytic durability. To solve this problem, this study proposes the possibility of using Ketjen black (KB) to replenish the carbon content. Impressively, MOF-derived bimetal and oxide N-doped porous carbon (CoNi-CoO-NiO@NC-800) exhibits extremely high catalytic activity with an oxygen reduction reaction (half-wave potential: 0.83 V) and oxygen evolution reaction (overpotential: 352 mV @ 10 mA cm-2) potential gap of 0.75 V due to the virtue of the hierarchically porous structure and sufficient active sites. By combining theoretical studies, a strong synergetic coupling of the CoNi dual metal is proposed in decreasing the overall reaction barriers and promoting the reversible oxygen reactions. Moreover, the assembled liquid- and all-solid-state Zn-air batteries (ZABs) with the bifunctional catalyst as the air cathode demonstrate superior discharging (223 mW cm-2 at 310 mA cm-2) and charging-discharging performance and long lifetime (450 cycles, 75 h). This work will provide guidance for the rational design of metal/carbon hybrid catalysts and cut-price reproducible energy systems.

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