Superdurable Bifunctional Oxygen Electrocatalyst for High-Performance Zinc–Air Batteries

双功能 化学 析氧 双金属片 电催化剂 催化作用 双功能催化剂 氧气 化学工程 无机化学 电极 物理化学 电化学 有机化学 工程类
作者
Chenhui Zhou,Xiao Chen,Shuo Liu,Ying Han,Haibing Meng,Qinyuan Jiang,Siming Zhao,Fei Wei,Jie Sun,Ting Tan,Rufan Zhang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (6): 2694-2704 被引量:320
标识
DOI:10.1021/jacs.1c11675
摘要

The development of high-efficiency and durable bifunctional electrocatalysts for both the oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER) is critical for the widespread application of rechargeable zinc-air (Zn-air) batteries. This calls for rational screening of targeted ORR/OER components and precise control of their atomic and electronic structures to produce synergistic effects. Here, we report a Mn-doped RuO2 (Mn-RuO2) bimetallic oxide with atomic-scale dispersion of Mn atoms into the RuO2 lattice, which exhibits remarkable activity and super durability for both the ORR and OER, with a very low potential difference (ΔE) of 0.64 V between the half-wave potential of ORR (E1/2) and the OER potential at 10 mA cm-2 (Ej10) and a negligible decay of E1/2 and Ej10 after 250 000 and 30 000 CV cycles for ORR and OER, respectively. Moreover, Zn-air batteries using the Mn-RuO2 catalysts exhibit a high power density of 181 mW cm-2, low charge/discharge voltage gaps of 0.69/0.96/1.38 V, and ultralong lifespans of 15 000/2800/1800 cycles (corresponding to 2500/467/300 h operation time) at a current density of 10/50/100 mA cm-2, respectively. Theoretical calculations reveal that the excellent performances of Mn-RuO2 is mainly due to the precise optimization of valence state and d-band center for appropriate adsorption energy of the oxygenated intermediates.
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