High‐Performance, Long‐Life, Rechargeable Li–CO2 Batteries based on a 3D Holey Graphene Cathode Implanted with Single Iron Atoms

材料科学 石墨烯 阴极 催化作用 碳纤维 化学工程 多孔性 纳米技术 密度泛函理论 扩散 电流密度 复合材料 物理化学 有机化学 复合数 化学 计算化学 热力学 物理 工程类 量子力学
作者
Chuangang Hu,Lele Gong,Ying Xiao,Yifei Yuan,Nicholas M. Bedford,Zhaoqiang Xia,Lu Ma,Tianpin Wu,Yi Lin,John W. Connell,Reza Shahbazian‐Yassar,Jun Lü,Khalil Amine,Liming Dai
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:32 (16) 被引量:135
标识
DOI:10.1002/adma.201907436
摘要

Abstract A highly efficient cathode catalyst for rechargeable Li–CO 2 batteries is successfully synthesized by implanting single iron atoms into 3D porous carbon architectures, consisting of interconnected N,S‐codoped holey graphene (HG) sheets. The unique porous 3D hierarchical architecture of the catalyst with a large surface area and sufficient space within the interconnected HG framework can not only facilitate electron transport and CO 2 /Li + diffusion, but also allow for a high uptake of Li 2 CO 3 to ensure a high capacity. Consequently, the resultant rechargeable Li–CO 2 batteries exhibit a low potential gap of ≈1.17 V at 100 mA g −1 and can be repeatedly charged and discharged for over 200 cycles with a cut‐off capacity of 1000 mAh g −1 at a high current density of 1 A g −1 . Density functional theory calculations are performed and the observed appealing catalytic performance is correlated with the hierarchical structure of the carbon catalyst. This work provides an effective approach to the development of highly efficient cathode catalysts for metal–CO 2 batteries and beyond.
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