Graphitic-nitrogen-enriched carbon skeleton with embedment of Fe3C for superior performance air cathode in zinc-air battery

材料科学 碳纤维 电池(电) 阴极 催化作用 化学工程 氮气 复合数 复合材料 有机化学 化学 物理化学 功率(物理) 物理 量子力学 工程类
作者
Quan Zhou,Yue Yang,Qitong Ye,Tong Xue,Mudong Tu,Yipu Liu,Hua Li,Zhun Hu,Zhongli Zou,Bei-Ping Wang,Youjun Lu,Fenglan Han
出处
期刊:Materials Today Energy [Elsevier]
卷期号:31: 101194-101194 被引量:2
标识
DOI:10.1016/j.mtener.2022.101194
摘要

Combining catalytic active materials with nitrogen-doped carbon structure has been an effective strategy for designing high-performance electrocatalysts, where N species plays a vital role in modulating the electronic structure of composite material. The N dopant in the carbon structure exists in different states, but it has been ambiguous which type of N structure contributes the most to the overall catalytic activity. Here, Fe3C nanoparticles embedded in graphitic nitrogen-dominated carbon framework (Fe3[email protected]) has been successfully fabricated from [email protected] and exhibits excellent oxygen reduction reaction (ORR) activity and stability. Experiments and theoretical calculations confirm the interaction between Fe3C and N-doped carbon. Moreover, graphitic nitrogen is proved to exhibit the highest promotion contribution among different N states, which can effectively reduce the energy barrier of the potential determining step (from O2 to ∗OOH) for ORR. The Fe3[email protected] composite is applied as the air cathode in a Zn-air battery, which shows a high EOCV (open-circuit voltage) of 1.48 V, a power density of 155.6 mW/cm2, and a specific capacity of 798 mAh/gZn. This work suggests the synergy of Fe3C, N species, and carbon layer in promoting the performance of ORR catalysts.
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