Porous nitrogen-doped carbon nanocages decorated with bimetallic iron/cobalt sites as superior oxygen catalysts for liquid and all-solid-state Zn–air batteries

纳米笼 双金属片 催化作用 材料科学 碳纤维 化学工程 杂原子 热解 无机化学 金属有机骨架 化学 冶金 吸附 有机化学 复合材料 复合数 戒指(化学) 工程类
作者
Shuangshuang Ren,Pengfei Zhang,Xinxin Tang,He‐Gen Zheng,Zhongmin Wan
出处
期刊:Journal of energy storage [Elsevier BV]
卷期号:83: 110660-110660 被引量:8
标识
DOI:10.1016/j.est.2024.110660
摘要

Elaborate construction of advanced oxygen catalysts derived from metal-organic frameworks (MOFs) is urgently desired to fulfill the demands of highly efficient liquid and all-solid-state Zn–air batteries (ZABs). Herein, porous nitrogen-doped carbon nanocages decorated with bimetallic iron/cobalt sites (denoted as Co,Fe@NC-800) are elaborately fabricated by pyrolysis of a ZnCo-zeolitic imidazolate framework@Fe-histidine precursor at 800 °C. In this process, the dodecahedron skeleton of MOF is transformed into graphitized porous carbon nanocage, accompanied by effective modification of active bimetallic Co/Fe sites, while the thermal volatilization of low boiling metal Zn effectively creates numerous holes in the carbon layer. By virtue of bimetallic porous nitrogen-doped carbon nanocage, the optimized Co,Fe@NC-800 exhibits a positive half wave potential (E1/2 = 0.875 V) for oxygen reduction reaction (ORR). Consequently, the exceptional Co,Fe@NC-800 catalyst endows assembled liquid ZAB with a remarkable peak power density of 180 mW cm−2 and large specific capacity of 680 mAh gZn−1, and exhibits tremendous potentials in all-solid-state ZABs. Theoretical density functional theory calculations further disclose that the synergistic effect between N doping and bimetallic Co/Fe sites could significantly reduce the desorption energy barrier of *OH, and ultimately accelerate the kinetic process of ORR.
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