Novel core-shell CuMo-oxynitride@N-doped graphene nanohybrid as multifunctional catalysts for rechargeable zinc-air batteries and water splitting

材料科学 石墨烯 催化作用 分解水 化学工程 电池(电) 析氧 电化学 纳米技术 电极 化学 物理化学 有机化学 量子力学 光催化 物理 工程类 功率(物理)
作者
Jayaraman Balamurugan,Thanh Tuan Nguyen,Nam Hoon Kim,Do Hwan Kim,Joong Hee Lee
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier BV]
卷期号:85: 105987-105987 被引量:182
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2021.105987
摘要

Highly efficient and durable multifunctional catalysts with attractive nanoarchitectures remain challenging for next-generation rechargeable metal-air batteries and water splitting devices. Herein, for the first time, a novel copper molybdenum oxynitride anchored nitrogen-doped graphene (CuMo2[email protected]) is synthesized by a simple, scalable, and cost-effective pyrolysis method. The rational design of CuMo2ON encased in NC shells anchored onto the NG matrix to enhance the electroactive sites and boost the electron-transport behaviors for oxygen reduction/evolution reactions (ORR/OER) and hydrogen evolution reaction (HER). The optimal CuMo2[email protected] reveals tremendous trifunctional activities, outperform benchmark Pt/C and IrO2. First-principles calculations demonstrate that the excellent catalytic activity of CuMo2[email protected] is owing to the synergistic electron transfer between the active CuMo2ON nanoparticles, doped N species, and graphitic carbon. Formation of the O* intermediates on CuMo2ON lattice in the core-shell CuMo2[email protected] nanohybrid is an energetic rate-determining step to attain ORR and OER activities. The CuMo2[email protected] air-cathode based rechargeable quasi solid-state zinc-air battery delivers an ultra-high specific capacity of 736 mAh gzn−1, an exceptional energy density of 800.75 Wh kg−1, a record power density of 176.3 mW cm−2, and excellent reversibility (330 h at 10 mA cm−2). Furthermore, the CuMo2[email protected] water splitting device achieves a cell voltage of 1.49 V at a current density of 10 mA cm−2 and excellent reversibility of 120 h at a high current density of 100 mA cm−2, outperforming the benchmark Pt/C||IrO2 (~1.53 V at 10 mA cm−2) and reported state-of-the-art catalysts.
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