Synergistically Modulating Electronic Structure and Interfacial Wettability of MnF 2 /NF−CNF Toward Enhanced Oxygen Reduction in Zinc−Air Batteries

材料科学 润湿 阴极 化学工程 催化作用 多孔性 掺杂剂 杂原子 纳米技术 氧还原反应 钙钛矿(结构) 纳米晶 纳米纤维 电流密度 电解质 密度泛函理论 比表面积 碳纳米纤维 碳纤维 法拉第效率 氧气 工作(物理) 氧还原 功率密度 电极 表面改性 阳极 析氧
作者
Junhao Zhang,Chuan Xie,Hanzhen Li,Lipeng Wang,Yuanjun Liu,Xiangjun Zheng,Zhongyao Duan,Xingmei Guo,Qinghong Kong,Shenglin L. Xiong
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/aenm.71812
摘要

ABSTRACT Modulating the electronic structure and interfacial wettability of cathode catalysts is crucial for enhancing intrinsic activity and broadening triple‐phase interfaces for oxygen reduction reactions (ORR) in zinc−air batteries (ZABs), yet achieving their synergistic regulation faces a big challenge. Herein, an N/F source modulation strategy is proposed to synthesize porous carbon nanofibers anchored with MnF 2 nanocrystals and N/F heteroatoms (MnF 2 /NF−CNF). The unique interconnected fibrous and hierarchical porous architecture, together with tailored MnF 2 embedding and N/F doping, achieves an optimal balance between activity and wettability regulation. Excellent ORR performance with a high half‐wave potential of 0.87 V vs. RHE and limiting current density of 6.34 mA cm −2 is achieved, outperforming Pt/C and most previously reported Mn‐based/heteroatom‐doped systems. Theoretical and experimental analyses reveal surface N dopants as active sites, with MnF 2 modulating p‐orbital configuration, refining ORR pathways. Meanwhile, surface F dopants, in synergy with the porous architecture, regulate wettability, equilibrate electrolyte/oxygen transport, and substantially extend triple‐phase reaction interfaces. The assembled ZAB delivers an exceptional peak power density of 181.5 mW cm −2 with high specific capacity, rate capability, and cycling stability. This work deciphers the regulatory mechanism balancing catalytic activity and interfacial wettability, proving a versatile strategy for developing advanced ORR electrocatalysts in ZABs.
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