Highly Stable and Electrocatalytically Active Microflower‐Shaped, Fe 2 /Ni‐Coordinated N‐Doped Carbons With Vacancy Sites for Oxygen Redox Reactions

材料科学 双功能 催化作用 空位缺陷 碳纤维 溶解 密度泛函理论 氧化还原 金属 电催化剂 化学工程 析氧 过渡金属 氧气 无机化学 纳米技术 化学稳定性 电子结构 电池(电) 双功能催化剂 电极 合理设计 氧还原反应 工作(物理)
作者
Guiyuan Yang,Yue Li,Xue Wang,Meihong Fan,Qing Liang,Xingquan He,Wei Zhang,Tewodros Asefa
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:16 (16)
标识
DOI:10.1002/aenm.202506668
摘要

ABSTRACT Developing highly efficient and stable electrocatalysts for both the oxygen reduction reaction (ORR) and the oxygen evolution reaction (OER) is vital for the large‐scale deployment of rechargeable zinc‐air batteries (ZABs). Herein, a novel ternary‐atom catalyst, composed of Fe 2 ‐ and Ni‐coordinated, flower‐shaped, N‐doped carbon microparticles containing carbon vacancy sites (Fe 2 /Ni‐N‐C CV MFs), is synthesized using a facile two‐step heat‐treatment strategy. The material possesses Fe 2 ‒N 6 and Ni‒N 4 co‐structures as well as abundant carbon vacancy sites. These render the material remarkable bifunctional electrocatalytic activity and outstanding stability in alkaline media. Density functional theory simulations indicate that: i) the Fe 2 ‒N 6 sites stabilize the reaction intermediate *OOH through bidentate adsorption, ii) the Ni‒N 4 sites favorably modulate the electronic states of Fe 2 ‒N 6 sites, and iii) the carbon vacancy sites around the metallic species hinder the dissolution of the metallic centers. Furthermore, the catalyst exhibits a high peak power density of 264.4 mW cm ‒2 and excellent long‐term cycling stability for 1000 h in rechargeable ZABs. This work will not only guide the development of robust multi‐atom catalysts through the rational modulation of multi‐metallic and vacancy sites, but also provide a new approach to optimizing the electronic structures of the metal centers in such catalysts to enhance electrocatalytic performance.
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