3D Hierarchical MOF-Derived Defect-Rich NiFe Spinel Ferrite as a Highly Efficient Electrocatalyst for Oxygen Redox Reactions in Zinc–Air Batteries

材料科学 电催化剂 尖晶石 氧化还原 催化作用 析氧 普鲁士蓝 化学工程 无机化学 电化学 冶金 电极 化学 物理化学 工程类 有机化学
作者
Mohan Gopalakrishnan,Wathanyu Kao‐ian,Meena Rittiruam,Supareak Praserthdam,Piyasan Praserthdam,Wanwisa Limphirat,Mai Thanh Nguyen,Tetsu Yonezawa,Soorathep Kheawhom
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (9): 11537-11551 被引量:52
标识
DOI:10.1021/acsami.3c17789
摘要

The strategy of defect engineering is increasingly recognized for its pivotal role in modulating the electronic structure, thereby significantly improving the electrocatalytic performance of materials. In this study, we present defect-enriched nickel and iron oxides as highly active and cost-effective electrocatalysts, denoted as Ni0.6Fe2.4O4@NC, derived from NiFe-based metal-organic frameworks (MOFs) for oxygen reduction reactions (ORR) and oxygen evolution reactions (OER). XANES and EXAFS confirm that the crystals have a distorted structure and metal vacancies. The cation defect-rich Ni0.6Fe2.4O4@NC electrocatalyst exhibits exceptional ORR and OER activities (ΔE = 0.68 V). Mechanistic pathways of electrochemical reactions are studied by DFT calculations. Furthermore, a rechargeable zinc-air battery (RZAB) using the Ni0.6Fe2.4O4@NC catalyst demonstrates a peak power density of 187 mW cm-2 and remarkable long-term cycling stability. The flexible solid-state ZAB using the Ni0.6Fe2.4O4@NC catalyst exhibits a power density of 66 mW cm-2. The proposed structural design strategy allows for the rational design of electronic delocalization of cation defect-rich NiFe spinel ferrite attached to ultrathin N-doped graphitic carbon sheets in order to enhance active site availability and facilitate mass and electron transport.
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