Synergistic Cu–Zn Dual-Atom Sites in Hierarchically N-Doped Porous Carbon Enable Efficient Rechargeable Zn–Air Batteries

催化作用 密度泛函理论 材料科学 电化学 甲醇 吸附 碳纤维 氧还原反应 纳米技术 化学工程 合理设计 功率密度 储能 工作(物理) 氧气 电子结构 析氧 联轴节(管道) 反应机理 多相催化 化学 电化学储能 能量密度 偶联反应 氧还原 电催化剂 多孔性 金属 氧化还原
作者
Xuzi Cong,Jingwen Yang,Xin Du,Lancheng Zhao,Miao Sun,Xinyu Cao,Qiang Liu,Huiqing Fan,Jinglin Mu,Zhongfang Li,Likai Wang
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:14 (44): 20387-20397
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.6c07986
摘要

Abstract Herein, we report an atomically well-defined Cu–Zn dual-atom catalyst featuring isolated Cu–N4 and Zn–N4 moieties embedded in a hierarchical N-doped carbon framework. Through controlled precursor chemistry and defect engineering, the spatial proximity and electronic coupling between the two metal centers are precisely regulated, enabling the construction of stable dual-atom catalytic sites with distinct electronic characteristics. Electrochemical measurements reveal that the optimized CuZn-NC catalyst exhibits enhanced oxygen reduction reaction (ORR) activity, characterized by a positive onset potential (0.99 V) and a half-wave potential (0.88 V), together with excellent durability and methanol tolerance. Combined spectroscopic analyses and density functional theory calculations demonstrate that the cooperative interaction between adjacent Cu–N4 and Zn–N4 sites effectively modulates the adsorption energetics of oxygenated intermediates, thereby lowering the reaction energy barriers and accelerating ORR kinetics. When evaluated as an air cathode, the catalyst further delivers an impressive peak power density of 331.8 mW cm–2 and stable discharge operation over 333 h. This work provides mechanistic insights into dual-metal single-atom cooperation and offers a rational strategy for designing advanced oxygen electrocatalysts.
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