Construction of hollow urchin-like carbon frameworks with Co, P, and N doping and encapsulated Co/Co2P heterojunction as bifunctional electrocatalysts for rechargeable Zn–air batteries

双功能 电催化剂 材料科学 析氧 兴奋剂 纳米技术 碳纤维 化学工程 过电位 异质结 电极 催化作用 化学 电化学 光电子学 有机化学 复合数 复合材料 工程类 物理化学
作者
Sa Liu,Luyuan Wang,Guoxiang Wang,Ping Zhu,Zhouyang Long,Xinsheng Zhao
出处
期刊:Nanoscale [Royal Society of Chemistry]
卷期号:17 (24): 14772-14780 被引量:5
标识
DOI:10.1039/d5nr00625b
摘要

Controllable preparation of advanced electrocatalysts with well-designed architecture and desirable active sites for rechargeable Zn-air batteries (ZABs) is challenging. Herein, a hollow urchin-like bifunctional oxygen electrocatalyst (HCoPNC@Co/Co2P-PNCNTs) was developed by assembling P, N-doped carbon nanotubes with confined Co/Co2P heterojunctions on heteroatom-doped carbon hollow spheres via in situ polymerization/deposition, pyrolysis and topical phosphorization strategy. According to the analysis of experiments and theoretical calculations, the Co/Co2P@NC core-shell structure at the top of each CNT was verified to facilitate the electron transfer and the conversion between the adsorbed intermediates, guaranteeing outstanding intrinsic catalytic activity. Meanwhile, the urchin-like hierarchical frameworks led to the formation of a desirable conductive and mass transport network, ensuring the efficient exposure of the electrocatalytic active sites and excellent structural stability. Therefore, the "framework-active sites" endowed HCoPNC@Co/Co2P-PNCNTs with superior catalytic activities towards the oxygen reduction reaction (ORR, half-wave potential of 0.83 V) and oxygen evolution reaction (OER, overpotential of 350 mV@10 mA cm-2) in alkaline electrolyte. Expectedly, the as-assembled ZABs based on HCoPNC@Co/Co2P-PNCNTs delivered a large peak power density of 250 mW cm-2 and a robust charge-discharge cycling stability with negligible voltage decay for 110 h at 2 mA cm-2, illustrating its great practical application in advanced metal-air batteries.
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