Highly efficient Co3O4/Co@NCs bifunctional oxygen electrocatalysts for long life rechargeable Zn-air batteries

双功能 材料科学 电催化剂 析氧 纳米颗粒 催化作用 纳米技术 化学工程 碳纤维 电极 电化学 无机化学 复合数 化学 复合材料 有机化学 工程类 物理化学
作者
Nengfei Yu,Chang Wu,Wen Huang,You‐Hu Chen,Daqian Ruan,Kai-Lin Bao,Hui Chen,Yi Zhang,Yusong Zhu,Qinghong Huang,Wei‐Hong Lai,Yunxiao Wang,Hong‐Gang Liao,Shi‐Gang Sun,Yuping Wu,Jiazhao Wang
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier]
卷期号:77: 105200-105200 被引量:81
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2020.105200
摘要

Rational design and synthesis of high-performance bifunctional oxygen electrocatalysts are in high demand for metal air batteries. Herein, Co3O4/Co nano-heterojunctions tailored in nitrogen-doped porous graphitized carbon frameworks (Co3O4/[email protected]) are synthesized via annealing Co-based metal-organic-frameworks (Co-based MOFs). This structure for electrocatalysts with a combination of mixed metallic Co species and encapsulating porous graphitized carbon offers an efficient charge/mass transport environment. In addition, the Co3O4/Co nano-heterostructured interfaces serve as efficient reactive sites to enhance oxygen electrocatalysis. Furthermore, the strong binding forces between nanoparticles and carbon frameworks through Co–N covalent bonds prevent the loss of nanoparticles from the electrocatalysts, providing outstanding durability. Consequently, Co3O4/[email protected] surpasses the performance of noble-metal catalysts with a positive half-wave potential of 0.92 V (vs. reversible hydrogen electrode, RHE) for the oxygen reduction reaction and a low potential of 1.55 V at 10 mA cm−2 for the oxygen evolution reaction. Impressively, our assembled zinc–air batteries using Co3O4/[email protected] as the rechargeable air electrode exhibit superior charge-discharge performance and ultra-stable cyclability with almost no increase in polarization even after 600 h (10 mA cm−2), possessing great potential for practical application in next-generation rechargeable batteries.
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