Atomically Dispersed Fe–N4 Sites and NiFe-LDH Sub-Nanoclusters as an Excellent Air Cathode for Rechargeable Zinc–Air Batteries

双功能 电催化剂 材料科学 纳米团簇 析氧 阴极 化学工程 无机化学 纳米技术 电极 催化作用 化学 电化学 物理化学 有机化学 工程类
作者
Yuyang Wang,Yaping Gao,Lixia Ma,Yanzhong Xue,Zong‐Huai Liu,Hua‐Li Cui,Nan Zhang,Ruibin Jiang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (13): 16732-16743 被引量:15
标识
DOI:10.1021/acsami.2c23232
摘要

The sluggish four-electron processes of the oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER) limit the development of rechargeable Zn-air batteries (RZABs). Highly efficient ORR/OER bifunctional electrocatalysts are therefore highly desired for the commercialization of RZABs in large scale. Herein, the Fe-N4-C (ORR active sites) and NiFe-LDH clusters (OER active sites) are successfully integrated within a NiFe-LDH/Fe,N-CB electrocatalyst. The NiFe-LDH/Fe,N-CB electrocatalyst is first prepared by the introduction of Fe-N4 into carbon black (CB), followed by the growth of NiFe-LDH clusters. The cluster nature of NiFe-LDH effectively avoids the blocking of Fe-N4-C ORR active centers and affords excellent OER activity. The NiFe-LDH/Fe,N-CB electrocatalyst thus exhibits an excellent bifunctional ORR and OER performance, with a potential gap of only 0.71 V. The NiFe-LDH/Fe,N-CB-based RZAB exhibits an open-circuit voltage of 1.565 V and a specific capacity of 731 mAh gZn-1, which is much better than the RZAB composed of Pt/C and IrO2. Particularly, the NiFe-LDH/Fe,N-CB-based RZAB displays excellent long-term charging/discharging cyclic stability and rechargeability. Even at a large charging/discharging current density (20 mA cm-2), the charging/discharging voltage gap is only ∼1.33 V and exhibits an increase smaller than 5% after 140 cycles. This work provides a new low-cost bifunctional ORR/OER electrocatalyst with high activity and superior long-term stability and will be helpful to the commercialization of RZAB in large scale.
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