Hierarchically mesoporous Fe-N-C single-atom catalysts for efficient oxygen electrocatalysis in rechargeable zinc-air batteries

电催化剂 介孔材料 催化作用 材料科学 Atom(片上系统) 氧原子 析氧 氧气 无机化学 化学工程 纳米技术 化学 冶金 计算机科学 电极 电化学 物理化学 有机化学 嵌入式系统 工程类 分子
作者
Biyan Zhuang,Nengneng Xu,Xiaoqian Xu,Lingyu Dai,Yongxia Wang,Min Wang,Kai Wu,Jinli Qiao
出处
期刊:Materials Reports: Energy [Elsevier BV]
卷期号:5 (3): 100352-100352 被引量:6
标识
DOI:10.1016/j.matre.2025.100352
摘要

Rechargeable zinc-air batteries (ZABs) hold significant promise for next-generation energy storage due to their unique advantages in safety, energy and cost. However, their commercial application remains hindered by the sluggish kinetics of the oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER), necessitating the development of highly efficient and durable electrocatalysts. Herein, we report a hierarchically mesoporous Fe-N-C catalyst (Fe-N/MPCS500) synthesized via a template-assisted method, which exhibits exceptional bifunctional ORR/OER performance. The Fe-N/MPCS500 catalyst achieves a positive ORR half-wave potential (0.86 V), along with a low OER over-potential of 510 mV at 10 mA cm−2, surpassing those of most non-precious metal catalysts. Furthermore, in a liquid-state ZAB, Fe-N/MPCS500 delivers a high specific capacity of 708 mAh g−1, a peak power density of 409 mW cm−2, and stable charge-discharge cycling over 470 h, outperforming commercial Pt/C + Ir/C catalysts. The outstanding performance is attributed to the hierarchical porosity, optimized Fe-N coordination, and enhanced electron/mass transport. This work presents a scalable and low-cost strategy for developing high-performance single-atom catalysts, paving the way for practical deployment in energy conversion and storage technologies.
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