Efficient oxygen electrocatalysts with highly-exposed Co-N4 active sites on N-doped graphene-like hierarchically porous carbon nanosheets enhancing the performance of rechargeable Zn-air batteries

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作者
Nengfei Yu,Hui Chen,Jingbiao Kuang,Kai-Lin Bao,Wei Yan,Jilei Ye,Zhongtang Yang,Qinghong Huang,Yuping Wu,Shi‐Gang Sun
出处
期刊:Nano Research [Springer Science+Business Media]
卷期号:15 (8): 7209-7219 被引量:66
标识
DOI:10.1007/s12274-022-4382-7
摘要

Designing bifunctional oxygen electrocatalysts with high activity, lasting stability, and low-cost for rechargeable zinc-air batteries (RZABs) is a tough challenge. Herein, an advanced electrocatalyst is prepared by anchoring atomically dispersed Co atoms on N-doped graphene-like hierarchically porous carbon nanosheets (SA-Co-N4-GCs) and thereby forming Co-N4-C architecture. Its unique structure with excellent conductivity, large surface area, and three dimensional (3D) interconnected hierarchically porous architecture exposes not only more Co-N4 active sites to accelerate the kinetics of both oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER), but also provides an efficient charge/mass transport environment to reduce diffusion barrier. Consequently, SA-Co-N4-GCs exhibits excellent ORR/OER bifunctional activities and durability, surpassing noble-metal catalysts. Liquid RZABs using SA-Co-N4-GCs cathodes display a high open-circuit voltage of 1.51 V, a remarkable power density of 149.3 mW·cm−2, as well as excellent stability and rechargeability with faint increase in polarization even at a large depth of charge—discharge cycle with 16 h per cycle over an entire 600 h long-term test. Moreover, flexible quasi-solid-state RZABs with SA-Co-N4-GCs cathodes also deliver a considerable power density of 124.5 mW·cm−2, which is even higher than that of liquid batteries using noble-metal catalysts. This work has thrown new insight into development of high-performance and low-cost electrocatalysts for energy conversion and storage.
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