Biomass-derived highly dispersed Co/Co9S8 nanoparticles encapsulated in S, N-co-doped hierarchically porous carbon as an efficient catalyst for hybrid Na–CO2 batteries

材料科学 化学工程 过电位 纳米颗粒 电解质 催化作用 碳纤维 电催化剂 阴极 纳米技术 电化学 电极 复合材料 有机化学 复合数 化学 工程类 物理化学
作者
Changfan Xu,Jing Zhan,Z. Wang,Xin Fang,J. Chen,Feng Liang,Huaping Zhao,Yong Lei
出处
期刊:Materials Today Energy [Elsevier]
卷期号:19: 100594-100594 被引量:15
标识
DOI:10.1016/j.mtener.2020.100594
摘要

Na–CO2 batteries are prospective in energy storage and CO2 recycling applications; development of a high-efficiency, low-cost electrocatalyst to promote CO2 reduction and carbonate decomposition is extremely vital for practical Na–CO2 batteries. Herein, a highly efficient cathode catalyst for rechargeable hybrid Na–CO2 batteries is successfully synthesized by encapsulating highly dispersed Co/Co9S8 nanoparticles into carbon skeletons, consisting of biomass-derived S, N-co-doped hierarchically porous carbon (Co/Co9S8@SNHC). The conductive and hierarchically porous framework structure of the Co/Co9S8@SNHC can not only accelerate electron transport, electrolyte infiltration, and CO2 diffusion but also can inhibit overgrowth and agglomeration of Co/Co9S8 nanoparticles and expose numerous high density of active sites, as well as offer sufficient space to store discharge products. Benefiting from the synergistic effect among S and N dopants, carbon defects, and Co/Co9S8 nanoparticles in robust porous carbon structure, the hybrid Na–CO2 batteries displayed a low charge overpotential (only ~0.32 V) at 0.2 mA/cm2 and repeatedly charged and discharged over 200 cycles at 0.1 mA/cm2. Besides, an ultrahigh areal capacity of ~18.9 mAh/cm2 was obtained at 0.5 mA/cm2, the highest value to date for Na–CO2 batteries. Meanwhile, the hybrid Na–CO2 battery charging from Na2CO3@C catalytic cathode demonstrated the high catalytic activity of biomass-derived S,N-co-doped hierarchically porous carbon (Co/Co9S8@SNHC) for CO2 reduction and carbonate decomposition. Given this finding, this work might open up a potential avenue for the reasonable design of low-cost and highly efficient catalysts for advanced metal-CO2 batteries systems.
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