Self-Decoupled Oxygen Electrocatalysis for Ultrastable Rechargeable Zn-Air Batteries with Mild-Acidic Electrolyte

双功能 材料科学 电催化剂 电解质 催化作用 析氧 化学工程 电化学 双功能催化剂 纳米技术 电极 化学 有机化学 工程类 物理化学
作者
Tianran Zhang,Shengliang Zhang,Lanlan Li,Yuxiang Hu,Xiangfeng Liu,Jim Yang Lee
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (17): 17476-17488 被引量:25
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c05845
摘要

Rechargeable zinc-air batteries (ZABs) have been considered promising as next-generation sustainable energy storage devices; however, their large-scale deployment is hampered by the unsatisfactory cyclic lifespan. Employing neutral and mild-acidic electrolytes is effective in extending the cyclability, but the rapid performance degradation of the bifunctional catalysts owing to different microenvironmental requirements of the alternative oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER) is still a serious limitation of their cyclic life. Herein, we propose a "self-decoupling" strategy to significantly improve the stability of the bifunctional catalysts by constructing a smart interface in the bifunctional air electrode. This smart interface, containing a resistance-switchable sulfonic acid doped polyaniline nanoarray interlayer, is nonconductive at high potential but conductive at low potential, which enables spontaneous electrochemical decoupling of the bifunctional catalyst for the ORR and OER, respectively, and thus protects it from degradation. The resulting self-decoupled mild-acidic ZAB delivers stable cyclic performances in terms of a negligible energy efficiency loss of 0.015% cycle-1 and 3 times longer cycle life (∼1400 h) compared with the conventional mild-acidic ZAB using a normal bifunctional air electrode and the same low-cost ZnCo phosphide/nitrogen-doped carbon bifunctional catalyst. This work provides an effective strategy for tolerating alternative oxidation-reduction reactions and emphasizes the importance of smart nanostructure design for more sustainable batteries.
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