MOF-on-MOF-derived FeCo@NC OER&ORR bifunctional electrocatalysts for zinc-air batteries

双功能 电催化剂 析氧 氧还原反应 氧还原 化学 无机化学 可持续能源 材料科学 纳米技术 化学工程 催化作用 电极 电化学 物理化学 生物化学 有机化学 可再生能源 工程类 电气工程
作者
Qianqiao Wang,Lan Wang,Shuya Zhang,Zhuo Chen,Wenchao Peng,Yang Li,Xiaobin Fan
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier BV]
卷期号:677 (Pt A): 800-811 被引量:54
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2024.07.165
摘要

Zinc-air batteries, as one of the emerging areas of interest in the quest for sustainable energy solutions, are hampered by the intrinsically sluggish kinetics of the oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER), and still suffer from the issues of low energy density. Herein, we report a MOF-on-MOF-derived electrocatalyst, FeCo@NC-II, designed to efficiently catalyze both ORR ( E half = 0.907 V) and OER ( E j=10 = 1.551 V) within alkaline environments, surpassing esteemed noble metal benchmarks (Pt/C and RuO 2 ). Systematically characterizations and density functional theory (DFT) calculations reveal that the synergistic effect of iron and cobalt bimetallic and the optimized distribution of nitrogen configuration improved the charge distribution of the catalysts, which in turn optimized the adsorption / desorption of oxygenated intermediates accelerating the reaction kinetics. While the unique leaf-like core–shell morphology and excellent pore structure of the FeCo@NC-II catalyst caused the improvement of mass transfer efficiency, electrical conductivity and stability. The core and shell of the precursor constructed through the MOF-on-MOF strategy achieved the effect of 1 + 1 > 2 in mutual cooperation. Further application to zinc-air batteries (ZABs) yielded remarkable power density (212.4 mW/cm 2 ), long cycle (more than 150 h) stability and superior energy density (∼1060 Wh/kg Zn). This work provides a methodology and an idea for the design, synthesis and optimization of advanced bifunctional electrocatalysts.
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