3D Hollow Hierarchical Porous Carbon with Fe‐N4‐OH Single‐Atom Sites for High‐Performance Zn‐Air Batteries

催化作用 电催化剂 材料科学 吸附 Atom(片上系统) 析氧 纳米技术 碳纤维 化学工程 物理化学 化学 电极 电化学 有机化学 复合数 工程类 嵌入式系统 复合材料 计算机科学
作者
Shilong Zhou,Chao Chen,Jiawei Xia,Le Li,Xingyue Qian,Muhammad Arif,Fengxiang Yin,Dai Guo-hong,Guangyu He,Qun Chen,Haiqun Chen
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:19 (48): e2302464-e2302464 被引量:27
标识
DOI:10.1002/smll.202302464
摘要

The development of innovative and efficient Fe-N-C catalysts is crucial for the widespread application of zinc-air batteries (ZABs), where the inherent oxygen reduction reaction (ORR) activity of Fe single-atom sites needs to be optimized to meet the practical application. Herein, a three-dimensional (3D) hollow hierarchical porous electrocatalyst (ZIF8@FePMPDA-920) rich in asymmetric Fe-N4 -OH moieties as the single atomic sites is reported. The Fe center is in a penta-coordinated geometry with four N atoms and one O atom to form Fe-N4 -OH configuration. Compared to conventional Fe-N4 configuration, this unique structure can weaken the adsorption of intermediates by reducing the electron density of the Fe center for oxygen binding, which decreases the energy barrier of the rate-determining steps (RDS) to accelerate the ORR and oxygen evolution reaction (OER) processes for ZABs. The rechargeable liquid ZABs (LZABs) equipped with ZIF8@FePMPDA-920 display a high power density of 123.11 mW cm-2 and a long cycle life (300 h). The relevant flexible all-solid-state ZABs (FASSZABs) also display outstanding foldability and cyclical stability. This work provides a new perspective for the structural design of single-atom catalysts in the energy conversion and storage areas.
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