Heterostructure catalyst coupled wood-derived carbon and cobalt-iron alloy/oxide for reversible oxygen conversion

催化作用 氧化钴 合金 材料科学 异质结 氧气 氧化物 碳纤维 化学工程 氧化铁 无机化学 冶金 化学 复合材料 光电子学 复合数 有机化学 工程类
作者
Limin Zhou,Junxiao Li,Jiao Yin,Gaoyue Zhang,Pengxiang Zhang,Jingjing Zhou,Anqi Zhang,Ao Wang,Baojun Li,Yanyan Liu,Kang Sun
出处
期刊:Biochar [Springer Nature]
卷期号:6 (1) 被引量:16
标识
DOI:10.1007/s42773-024-00348-9
摘要

Abstract As promising energy-storage devices, zinc–air batteries (ZABs) exhibit slow reaction kinetics for oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER) occurring at their electrodes. High-performance bifunctional catalysts must thus be synthesized to accelerate the reversible conversion of oxygen and improve the rate and overall performance of ZABs. Herein, we reported the promising prospects of self-supported composite electrodes composed of wood-derived carbon (WDC) and bimetallic cobalt-iron alloys/oxides (CoFe-CoFe 2 O 4 @WDC) as efficient electrocatalysts for alkaline ORR/OER. WDC provided a favorable three-phase interface for heterogeneous reactions owing to its layered porous structure and genetic stability, thereby enabling mass diffusion and improving reaction kinetics. The CoFe 2 O 4 spinel surface was reduced to bimetallic CoFe alloy to form abundant heterostructure interfaces that promote electron transfer. Under alkaline conditions, the optimized composite electrode exhibited a remarkable high half-wave potential of 0.85 V and an exceptionally low overpotential of 1.49 V. It also exhibited stable performance over an impressive 2340 cycles in a ZAB. Theoretical calculations also confirmed that the heterointerface addresses the issue of proton scarcity throughout the reaction and actively facilitates the creation of O–O bonds during the reversible transformation of oxygen. This study introduces a new concept for developing bifunctional and efficient electrocatalysts based on charcoal and encourages the sustainable and high-value use of forest biomass resources. Graphical Abstract
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