[Fe(CN)6] vacancy-boosting oxygen evolution activity of Co-based Prussian blue analogues for hybrid sodium-air battery

普鲁士蓝 析氧 过电位 材料科学 催化作用 结构精修 空位缺陷 化学工程 密度泛函理论 物理化学 电极 晶体结构 电化学 化学 结晶学 计算化学 有机化学 工程类
作者
Yao Kang,Shun Wang,Kwan San Hui,Haifeng Li,Feng Liang,X. L. Wu,Qingming Zhang,Wei Zhou,Liying Chen,Fuming Chen,Kwun Nam Hui
出处
期刊:Materials Today Energy [Elsevier BV]
卷期号:20: 100572-100572 被引量:56
标识
DOI:10.1016/j.mtener.2020.100572
摘要

Prussian blue analogues (PBAs) have emerged as efficient catalysts for oxygen evolution reaction (OER) due to their porous structure with well-dispersed active sites. However, Co-based PBA (Co-PBA) electrocatalysts are characterized by moderate OER kinetics. In this study, we developed a facile high-yield strategy to fabricate defective Co-PBA (D-Co-PBA) with [Fe(CN)6] vacancies and exposed Co (III) active sites by post-oxidation treatment of the pristine Co-PBA with aqueous H2O2. Rietveld refinement results show that the lattice parameter (a) and unit-cell volume (V) of D-Co-PBA are smaller than those of the pristine Co-PBA, thereby confirming the generation of [Fe(CN)6] vacancies. Density functional theory calculations reveal that the [Fe(CN)6] vacancy can effectively regulate the electronic structure of D-Co-PBA; this condition reduces the reaction barrier of the rate-determining step toward OER. In OER, the D-Co-PBA catalyst achieves a lower overpotential of 400 mV at a current density of 10 mA cm−2, which is superior to that of Ir/C (430 mV) and Co-PBA (450 mV). A hybrid sodium–air battery assembled with Pt/C and D-Co-PBA catalysts displays a discharge voltage of 2.75 V, an ultralow charging–discharging gap of 0.15 V, and a round-trip efficiency of 94.83% on the 1000th cycle at the current density of 0.01 mA cm−2. This study is highly promising for large-scale production of affordable and effective PBA-based materials with desirable OER activity for metal-air batteries and water-alkali electrolyzers, thus helping achieve the goal of sustainability.
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