Free‐Standing Tunnel‐Structured MnO2 Nanorods‐Doped with Nickel and Cobalt Cations as Bifunctional Electrocatalysts for Zn–Air Batteries

过电位 析氧 材料科学 限制电流 双功能 纳米棒 兴奋剂 催化作用 化学工程 纳米技术 无机化学 化学 电化学 光电子学 电极 冶金 物理化学 工程类 生物化学
作者
Xiaoying Zheng,Alonso Moreno Zuria,Mohamed Mohamedi
出处
期刊:Advanced materials and technologies [Wiley]
卷期号:8 (24) 被引量:12
标识
DOI:10.1002/admt.202301142
摘要

Abstract The rational design of the electrocatalysts is paramount to alleviating the global energy and environment crisis. Despite a bright future of MnO 2 shown in energy storage and conversion, the intrinsic low electrical conductivity glooms its application in electrocatalytic reactions like oxygen reduction/evolution reactions (ORR/OER). The doping strategy is applied to equip the self‐supported MnO 2 with enhanced ORR/OER and zinc‐air battery performance. In this work, a class of free‐standing MnO 2 nanorods arrays on carbon paper‐doped with either cobalt or nickel cations are engineered through a simple hydrothermal method. The substitutional doping by Co or Ni that partly replaces the Mn ions in the [MnO 6 ] octahedra brings about the Jahn–Teller distortion that exhibits excellent catalytic performance for ORR and OER. Indeed, the ORR performance reveals that the doping resulted in more positive half‐wave potential (by >20 mV), higher limiting current densities, and an electron transfer number close to four. As for the OER, the doping not only decreases the overpotential at 10 mA cm −2 but also brings about an enhancement in the current density at 1.76 V six times greater than with the undoped MnO 2 catalyst. An optimal concentration of 0.25 in the molar ratio Co/Mn or Ni/Mn is discovered based on the ORR/OER bifunctionality. Homemade rechargeable Zn–air aqueous batteries assembled with doped MnO 2 deliver higher peak power density, higher specific capacity, lower charge voltage, lower charge/discharge voltage, and robust stability.
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