Atomically dispersed antimony on N-doped carbon for highly efficient oxygen reduction reaction

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作者
Dan Zhang,Xing Xie,Panpan Sun,Yongan Wei,Tao Gong,Niu Huang,Xiaowei Lv,Liang Fang,Xiaohua Sun
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:439: 135700-135700 被引量:31
标识
DOI:10.1016/j.cej.2022.135700
摘要

• A series of atomically dispersed Sb-N-C catalysts are prepared via a facile adsorption-pyrolysis strategy. • Atomically dispersed Sb are stabilized by N atoms in terms of Sb-N 5 configuration. • Self-evaporation of Sb during synthesis could create abundant micro/meso-pores. • Sb-N 5 sites enable Sb-N-C catalysts outstanding oxygen reduction reaction activity. • Abundant micro/ meso -pores enable Sb-N-C catalysts enhanced mass transport. Main-group metal based single-atom catalysts are attracting increasing research attention in electrochemical catalysis owing to their partially occupied valence p-orbitals. Herein, we report a series of atomically dispersed Sb-N-C catalysts (including Sb-N-C NP , Sb-N-C NL and Sb-N-C NT ) synthesized by a facile adsorption-pyrolysis strategy for oxygen reduction reaction (ORR). Apart from generating atomically dispersed Sb-N 5 sites as active centers, self-evaporation of Sb during pyrolysis process has created abundant micro/meso-pores in Sb-N-C catalysts. Benefitting from these advantageous features, Sb-N-C presents outstanding ORR activity (Sb-N 5 sites) and efficient mass transport (micro/meso-pores). By rotating disk electrode (RDE) test in alkaline media, Sb-N-C exhibits a most positive half-wave potential of 0.90 V vs. RHE and a highest kinetic current density up to 43.8 mA cm −2 at 0.85 V vs. RHE. As gas diffusion electrode (GDE), Sb-N-C NP0.2 demonstrates fast O 2 diffusion and transport that enables smaller mass transport overpotential at high current densities up to 800 mA cm −2 . Finally, Zn-air battery that uses the Sb-N-C NP catalyst as air electrode achieves a maximum power density of 180 mW cm −2 and more than 1000 hs of continuous operation. This work further demonstrates the excellent performance of main-group Sb single-atom catalyst toward ORR and applications in practical energy conversion devices.
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