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Heteroatom-Doped Carbon-Encapsulated FeP Nanostructure: A Multifunctional Electrocatalyst for Zinc–Air Battery and Water Electrolyzer

材料科学 电催化剂 分解水 电池(电) 化学工程 杂原子 析氧 无机化学 电化学 催化作用 电极 化学 有机化学 光催化 物理 工程类 物理化学 功率(物理) 量子力学 戒指(化学)
作者
Mopidevi Manikanta Kumar,C. Retna Raj
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (13): 15176-15186 被引量:52
标识
DOI:10.1021/acsami.1c24918
摘要

The rational design and synthesis of efficient multifunctional electrocatalysts for renewable energy technologies is of significant interest. Herein, we demonstrate a novel approach for the synthesis of a nitrogen and phosphorus dual-doped mesoporous carbon-encapsulated iron phosphide (FeP@NPC) nanostructure and its multifunctional electrocatalytic activity toward an oxygen reduction reaction, oxygen evolution reaction, and hydrogen evolution reaction for zinc-air battery (ZAB) and alkaline water-splitting applications. FeP@NPC is obtained by the carbothermal reduction of the precursor complex [Fe(bpy)3](PF6)2 in the presence of melamine without any traditional phosphidating agent. The PF6- counteranion is used for the phosphidation of Fe. FeP@NPC obtained at 900 °C (FeP@NPC-900) exhibits excellent bifunctional oxygen electrocatalytic performance with a very low potential gap (ΔE = E1/2ORR - Ej10OER) of 670 mV. The ZAB device delivers a peak power density of 190.15 mW cm-2 (iR-corrected), specific capacity of 785 mA h gZn-1, and energy density of 706.5 Wh kgZn-1 at 50 mA cm-2. The ZAB exhibits excellent charge-discharge cycling stability for over 35 h with negligible voltaic efficiency loss (0.9%). Three CR2032 coin-cell-based ZABs made of an FeP@NPC-900 air cathode connected in series power 81 LEDs for 15 min. FeP@NPC-900 also has promising electrocatalytic activity toward water splitting in acidic as well as in alkaline pH. The benchmark current density of 10 mA cm-2 is achieved with a two-electrode alkaline water electrolyzer at a cell voltage of 1.65 V. ZAB-powered water electrolyzer is made by integrating two rechargeable ZABs connected in series with the two-electrode water electrolyzer. The ZAB powers the electrolyzer for 24 h without a significant loss in the open-circuit voltage. The catalyst retains its initial structural integrity even after continuous water electrolysis for 24 h.
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