Constructing FeNiPt@C Trifunctional Catalyst by High Spin‐Induced Water Oxidation Activity for Zn‐Air Battery and Anion Exchange Membrane Water Electrolyzer

催化作用 电解 电池(电) 离子交换 化学 无机化学 离子 化学工程 材料科学 电极 有机化学 工程类 电解质 功率(物理) 生物化学 物理 物理化学 量子力学
作者
Yangdan Pan,Yuwen Li,Adeela Nairan,Usman Khan,Yan Hu,Baoxin Wu,Lu Sun,Lin Zeng,Junkuo Gao
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
标识
DOI:10.1002/advs.202308205
摘要

Abstract Developing cost‐efficient trifunctional catalysts capable of facilitating hydrogen evolution reaction (HER), oxygen evolution reaction (OER), and oxygen reduction reaction (ORR) activity is essential for the progression of energy devices. Engineering these catalysts to optimize their active sites and integrate them into a cohesive system presents a significant challenge. This study introduces a nanoflower (NFs)‐like carbon‐encapsulated FeNiPt nanoalloy catalyst (FeNiPt@C NFs), synthesized by substituting Co 2+ ions with high‐spin Fe 2+ ions in Hofmann‐type metal‐organic framework, followed by carbonization and pickling processes. The FeNiPt@C NFs catalyst, characterized by its nitrogen‐doped carbon‐encapsulated metal alloy structure and phase‐segregated FeNiPt alloy with slight surface oxidization, exhibits excellent trifunctional catalytic performance. This is evidenced by its activities in HER (−25 mV at 10 mA cm −2 ), ORR (half‐wave potential of 0.93 V), and OER (294 mV at 10 mA cm −2 ), with the enhanced water oxidation activity attributed to the high‐spin state of the Fe element. Consequently, the Zn‐air battery and anion exchange membrane water electrolyzer assembled by FeNiPt@C NFs catalyst demonstrate remarkable power density (168 mW cm −2 ) and industrial‐scale current density (698 mA cm −2 at 1.85 V), respectively. This innovative integration of multifunctional catalytic sites paves the way for the advancement of sustainable energy systems.
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