Copper nanodot-embedded nitrogen and fluorine co-doped porous carbon nanofibers as advanced electrocatalysts for rechargeable zinc-air batteries

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作者
Gang Wang,Hongjing Gao,Zirui Yan,Lei Li,Quanxiang Li,Jie Fan,Yue Zhao,Nanping Deng,Weimin Kang,Bowen Cheng
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier]
卷期号:647: 163-173 被引量:3
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2023.05.147
摘要

Porous carbon-based electrocatalysts for cathodes in zinc-air batteries (ZABs) are limited by their low catalytic activity and poor electronic conductivity, making it difficult for them to be quickly commercialized. To solve these problems of ZABs, copper nanodot-embedded N, F co-doped porous carbon nanofibers (CuNDs@NFPCNFs) are prepared to enhance the electronic conductivity and catalytic activity in this study. The CuNDs@NFPCNFs exhibit excellent oxygen reduction reaction (ORR) performance based on experimental and density functional theory (DFT) simulation results. The copper nanodots (CuNDs) and N, F co-doped carbon nanofibers (NFPCNFs) synergistically enhance the electrocatalytic activity. The CuNDs in the NFPCNFs also enhance the electronic conductivity to facilitate electron transfer during the ORR. The open porous structure of the NFPCNFs promotes the fast diffusion of dissolved oxygen and the formation of abundant gas-liquid-solid interfaces, leading to enhanced ORR activity. Finally, the CuNDs@NFPCNFs show excellent ORR performance, maintaining 92.5% of the catalytic activity after a long-term ORR test of 20000 s. The CuNDs@NFPCNFs also demonstrate super stable charge-discharge cycling for over 400 h, a high specific capacity of 771.3 mAh g-1 and an excellent power density of 204.9 mW cm-2 as a cathode electrode in ZABs. This work is expected to provide reference and guidance for research on the mechanism of action of metal nanodot-enhanced carbon materials for ORR electrocatalyst design.
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