Confined covalent organic framework anchored Fe sites derived highly uniform electrocatalysts for rechargeable aqueous and solid-state Zn-air batteries

化学工程 材料科学 水溶液 固态 无机化学 共价键 纳米技术 化学 有机化学 工程类 物理化学
作者
Guangliang Zhou,Keyu Chen,Guang‐Ming Liang,Jilan Long
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier BV]
卷期号:651: 794-804 被引量:14
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2023.08.038
摘要

Exploiting clean, highly efficient energy storage and conversion device like Zn-air battery is of significance for alleviating the energy and environmental crises of this society. Metal organic coordination polymers/frameworks have been regarded as ideal templates to synthesize non-noble metal catalysts for a long time. However, the high density of metal nodes inevitably leads to the heavy aggregation of metal nanoparticles during thermolysis transformation process, which greatly hinders the maximizing of electrochemical performances. Herein, covalent organic framework (COF) has been employed to anchor the quantificational Fe ions (COF-Fe) and then confined into the macropores of g-C3N4 to improve the dispersion of metal active sites and avoid severe aggregation during high temperature pyrolysis. After calcination, the metal nanoparticles highly dispersed Fe-CFN catalysts can be obtained. The optimal Fe-CFN-800 catalysts exhibit excellent ORR and OER performances with the potential difference between ORR and OER of merely 0.723 V. Moreover, experimental way and DFT theoretical calculations are also employed to disclose the reaction mechanism. Finally, the all-solid-state and aqueous Zn-air batteries assembled with the optimized Fe-CFN-800 as cathode present excellent performances with high peak power density, flexible rate performance, strong discharge stability and long-term charge-discharge cycling performance.
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