Synergizing Single-Atom and Carbon-Encapsulated Nanoparticles of Fe for Efficient Oxygen Reduction and Durable Zn–Air Batteries

催化作用 氧还原 纳米颗粒 电催化剂 热解 碳纤维 材料科学 氧还原反应 化学工程 纳米技术 密度泛函理论 化学 复合材料 计算化学 工程类 电极 电化学 有机化学 物理化学 复合数
作者
Wuyi Zhang,Chuangwei Liu,Anthony Kucernak,Hui Liu,Jun Wu,Song Li
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
卷期号:7 (13): 5398-5407 被引量:5
标识
DOI:10.1021/acsaem.4c00660
摘要

Overcoming the sluggish kinetics of the oxygen reduction reaction (ORR) remains a critical challenge for Zn–air batteries. Fe–N/C catalysts have emerged as promising alternatives to precious Pt-based materials. Herein, we report the design and synthesis of carbon-encapsulated Fe nanoparticles decorated Fe–N/C (denoted as FeNPs@Fe–N/C) via controlled pyrolysis. The FeNPs@Fe–N/C catalyst exhibits excellent ORR performance in alkaline media with a half-wave potential (E1/2) of 0.893 VRHE. The strategic integration of carbon-encapsulated Fe nanoparticles substantially improves the catalytic activity of Fe–N/C catalysts. The FeNPs@Fe–N/C as the Zn–air battery cathode delivers an impressive peak power density of 175.7 mW cm–2 and excellent stability over 500 h, surpassing the Pt/C benchmarks. Density functional theory calculations reveal that the carbon-encapsulated Fe nanoparticles facilitate electron transfer to the catalytic site by modulating the d-band center, thereby boosting the ORR activity. This research paves the way for future design strategies integrating nanoparticles and single atoms for efficient electrocatalysis.
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