Multiscale Engineering of N‐CoP@NC/3D‐NC Bifunctional Electrocatalyst: Synergistic Interface and Doping Design for High‐Performance Zinc–Air Batteries

过电位 双功能 材料科学 电催化剂 杂原子 析氧 催化作用 纳米技术 碳纤维 化学工程 兴奋剂 表面工程 钴 双功能催化剂 分子工程 氧还原 纳米孔 多孔性 氧还原反应 合理设计 材料设计 磷化物 吸附 储能 工作(物理)
作者
Tao Luo,Feiyun JIA,Jingyao Liang,Zhihao Yu,Pengfei Wang,Haiyang Chen,Ping Zhu,Zhouyang Long,Xinsheng Zhao,Sa Liu
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:22 (11): e13939-e13939
标识
DOI:10.1002/smll.202513939
摘要

The development of cost-effective, high-performance bifunctional oxygen electrocatalysts is pivotal for zinc-air batteries (ZABs). Here, we report an innovative multiscale optimization strategy that synergistically integrates hierarchical structural design with atomic-level electronic engineering to fabricate an encapsulated N-doped cobalt phosphide catalyst (N-CoP@NC) embedded within a 3D porous nitrogen-doped carbon scaffold (3D-NC). The macro/mesoscopic design employs NaCl-templated 3D-NC frameworks to create optimized mass transport pathways and high surface area, while the atomic/nanoscale engineering achieves precise nitrogen doping into CoP lattices and strategic construction of metal-carbon interfaces, enabling electronic structure modulation. Mechanistic insights from theoretical calculation reveal that nitrogen incorporation fundamentally induces an electron-depletion effect in the carbon shell, precisely tuning the adsorption energy of oxygen reduction reaction (ORR)/oxygen evolution reaction (OER) intermediates and significantly improving intrinsic activity. The resulting N-CoP@NC/3D-NC catalyst exhibits exceptional bifunctional performance with a half-wave potential of 0.80V versus RHE towards ORR and an overpotential of 380 mV at 10 mA cm-2 for OER. When deployed in ZABs, it achieves a large peak power density of 127 mW cm-2 and robust cycling stability (683 h with <4% efficiency decay), surpassing Pt/C+Ir/C benchmarks. This work pioneers a novel electrocatalyst design paradigm via synergistic interface engineering and heteroatom doping.
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