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Edge Defect Engineering of Nitrogen-Doped Carbon for Oxygen Electrocatalysts in Zn–Air Batteries

材料科学 碳纤维 氮气 兴奋剂 化学工程 氧气 纳米技术 无机化学 复合材料 光电子学 化学 有机化学 复合数 工程类
作者
Qichen Wang,Yongpeng Lei,Yinggang Zhu,Hong Wang,Junzong Feng,Guangying Ma,Yingde Wang,Youji Li,Bo Nan,Qingguo Feng,Zhouguang Lu,Hao Yu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:10 (35): 29448-29456 被引量:125
标识
DOI:10.1021/acsami.8b07863
摘要

Metal-free bifunctional oxygen electrocatalysts are extremely critical to the advanced energy conversion devices, such as high energy metal-air batteries. Effective tuning of edge defects and electronic density on carbon materials via simple methods is especially attractive. In this work, a facile alkali activation method has been proposed to prepare carbon with large specific surface area and optimized porosity. In addition, subsequent nitrogen-doping leads to high pyridinic-N and graphitic-N contents and abundant edge defects, further enhancing electrochemical activities. Theoretical modeling via first-principles calculations has been conducted to correlate the electrocatalytic activities with their fundamental chemical structure of N doping and edge defect engineering. The metal-free product (NKCNPs-900) shows a high half-wave potential of 0.79 V (ORR). Furthermore, the assembled Zn-air batteries display excellent performance among carbon-based metal-free oxygen electrocatalysts, such as large peak power density up to 131.4 mW cm-2, energy density as high as 889.0 W h kg-1 at 4.5 mA cm-2, and remarkable discharge-charge cycles up to 575 times. Preliminarily, the rechargeable nonaqueous Li-air batteries were also investigated. Therefore, our work provides a low-cost, metal-free, and high-performance bifunctional carbon-based electrocatalyst for metal-air batteries.
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