Stabilizing Cobalt Single Atoms via Flexible Carbon Membranes as Bifunctional Electrocatalysts for Binder-Free Zinc–Air Batteries

电催化剂 材料科学 催化作用 碳纳米管 纳米技术 双功能 化学工程 阴极 碳纤维 电化学 电极 复合材料 化学 复合数 有机化学 冶金 物理化学 工程类
作者
Ying Han,Hengli Duan,Chenhui Zhou,Haibing Meng,Qinyuan Jiang,Baoshun Wang,Wensheng Yan,Rufan Zhang
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:22 (6): 2497-2505 被引量:116
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.2c00278
摘要

Single-atom catalysts with high activity and efficient atom utilization have great potential in the electrocatalysis field, especially for rechargeable zinc-air batteries (ZABs). However, it is still a serious challenge to rationally construct a single-atom catalyst with satisfactory electrocatalytic activity and long-term stability. Here, we simultaneously realize the atomic-level dispersion of cobalt and the construction of carbon nanotube (CNT)-linked N-doped porous carbon nanofibers (NCFs) via an electrospinning strategy. In this hierarchical structure, the Co-N4 sites provide efficient oxygen reduction/evolution electrocatalytic activity, the porous architectures of NCFs guarantee the active site's accessibility, and the interior CNTs enhance the flexibility and mechanical strength of porous fibers. As a binder-free air cathode, the as-prepared catalysts deliver superdurability of 600 h at 10 mA cm-2 for aqueous ZABs and considerable flexibility and a small voltage gap for all-solid-state ZABs. This work provides an effective single-atom design/nanoengineering for superdurable zinc-air batteries.
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