Highly Reversible Zn–Air Batteries Enabled by Tuned Valence Electron and Steric Hindrance on Atomic Fe–N4–C Sites

双功能 位阻效应 电催化剂 析氧 氧气 价(化学) 化学 价电子 电子 材料科学 无机化学 催化作用 立体化学 物理化学 电极 电化学 物理 量子力学 有机化学 生物化学
作者
Huanran Zheng,Danni Deng,Xinran Zheng,Yingbi Chen,Yu Bai,Mengjie Liu,Jiabi Jiang,Haitao Zheng,Yuchao Wang,Jinxian Wang,Peiyao Yang,Yu Xiong,Xiang Xiong,Yongpeng Lei
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:24 (15): 4672-4681 被引量:97
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.4c01078
摘要

The bifunctional oxygen electrocatalyst is the Achilles' heel of achieving robust reversible Zn-air batteries (ZABs). Herein, durable bifunctional oxygen electrocatalysis in alkaline media is realized on atomic Fe-N4-C sites reinforced by NixCo3-xO4 (NixCo3-xO4@Fe1/NC). Compared with that of pristine Fe1/NC, the stability of the oxygen evolution reaction (OER) is increased 10 times and the oxygen reduction reaction (ORR) performance is also improved. The steric hindrance alters the valence electron at the Fe-N4-C sites, resulting in a shorter Fe-N bond and enhanced stability of the Fe-N4-C sites. The corresponding solid-state ZABs exhibit an ultralong lifespan (>460 h at 5 mA cm-2) and high rate performance (from 2 to 50 mA cm-2). Furthermore, the structural evolution of NixCo3-xO4@Fe1/NC before and after the OER and ORR as well as charge-discharge cycling is explored. This work develops an efficient strategy for improving bifunctional oxygen electrocatalysis and possibly other processes.
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