Ru Single Atoms on N-Doped Carbon by Spatial Confinement and Ionic Substitution Strategies for High-Performance Li–O2 Batteries

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作者
Xiaolin Hu,Gan Luo,Qiannan Zhao,Dan Wu,Tongxin Yang,Jie Wen,Ronghua Wang,Chaohe Xu,Ning Hu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:142 (39): 16776-16786 被引量:287
标识
DOI:10.1021/jacs.0c07317
摘要

Nonaqueous rechargeable lithium-oxygen batteries (LOBs) are one of the most promising candidates for future electric vehicles and wearable/flexible electronics. However, their development is severely hindered by the sluggish kinetics of the ORR and OER during the discharge and charge processes. Here, we employ MOF-assisted spatial confinement and ionic substitution strategies to synthesize Ru single atoms riveted with nitrogen-doped porous carbon (Ru SAs-NC) as the electrocatalytic material. By using the optimized Ru0.3 SAs-NC as electrocatalyst in the oxygen-breathing electrodes, the developed LOB can deliver the lowest overpotential of only 0.55 V at 0.02 mA cm-2. Moreover, in-situ DEMS results quantify that the e-/O2 ratio of LOBs in a full cycle is only 2.14, indicating a superior electrocatalytic performance in LOB applications. Theoretical calculations reveal that the Ru-N4 serves as the driving force center, and the amount of this configuration can significantly affect the internal affinity of intermediate species. The rate-limiting step of the ORR on the catalyst surface is the occurrence of 2e- reactions to generate Li2O2, while that of the OER pathway is the oxidation of Li2O2. This work broadens the field of vision for the design of single-site high-efficiency catalysts with maximum atomic utilization efficiency for LOBs.
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