F Doping‐Induced Multicomponent Synergistic Active Site Construction toward High‐Efficiency Bifunctional Oxygen Electrocatalysis for Rechargeable Zn–Air Batteries

双功能 电催化剂 兴奋剂 析氧 材料科学 氧气 化学工程 阴极 掺杂剂 克拉克电极 纳米技术 无机化学 化学 催化作用 电极 电解质 光电子学 电化学 有机化学 物理化学 工程类
作者
Xue Wang,Kai Li,Di Yang,Xiaolong Yang,Meiling Xiao,Lirong Zheng,Wei Xing,Changpeng Liu,Jianbing Zhu
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:20 (27): e2310250-e2310250 被引量:12
标识
DOI:10.1002/smll.202310250
摘要

Abstract The commercialization of rechargeable Zn–air batteries (ZABs) relies on the material innovation to accelerate the sluggish oxygen electrocatalysis kinetics. Due to the differentiated mechanisms of reverse processes, i.e., oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER), rationally integrating dual sites for bifunctional oxygen electrocatalysis is prerequisite yet remains challenging. Herein, multicomponent synergistic active sites within highly graphitic carbon substrate are exquisitely constructed, which is accomplished by fluorine (F) modulation strategy. The incorporation of F dopants facilitates pyridinic N formation for anchoring single metal sites, thus guaranteeing the coexistence of sufficient M–N x sites and metal nanoparticles toward bifunctional oxygen electrocatalysis. As a result, the optimal catalyst, denoted as F NH 2 ‐FeNi‐800, outperforms commercial Pt/C+RuO 2 with smaller gap between E j = 10 and E 1/2 (Δ E ) of 0.63 V (vs 0.7 V for Pt/C+RuO 2 ), demonstrating its superior bifunctionality. Beyond that, its superiority is validated in homemade rechargeable ZABs. ZABs assembled using F NH 2 ‐FeNi‐800 as the air cathode delivers higher peak power density (123.8 mW cm −2 ) and long‐cycle lifetime (over 660 cycles) in comparison with Pt/C@RuO 2 (68.8 mW cm −2 ; 300 cycles). The finding not only affords a highly promising oxygen electrocatalyst, but also opens an avenue to constructing multifunctional active sites for heterogeneous catalysts.
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