Engineering Electronic Structure of Nitrogen‐Carbon Sites by sp3‐Hybridized Carbon and Incorporating Chlorine to Boost Oxygen Reduction Activity

氮气 碳纤维 无机化学 氧还原 化学 还原(数学) 材料科学 氧气 环境化学 电极 电化学 物理化学 数学 有机化学 复合材料 复合数 几何学
作者
Caihong Feng,Guanzhen Chen,Zhibo Cui,Rong Qin,Wensheng Jiao,Zeyi Huang,Ziang Shang,Chao Ma,Xusheng Zheng,Yunhu Han,Wei Huang
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:63 (1) 被引量:42
标识
DOI:10.1002/anie.202316314
摘要

Development of efficient and easy-to-prepare low-cost oxygen reaction electrocatalysts is essential for widespread application of rechargeable Zn-air batteries (ZABs). Herein, we mixed NaCl and ZIF-8 by simple physical milling and pyrolysis to obtain a metal-free porous electrocatalyst doped with Cl (mf-pClNC). The mf-pClNC electrocatalyst exhibits a good oxygen reduction reaction (ORR) activity (E1/2 =0.91 V vs. RHE) and high stability in alkaline electrolyte, exceeding most of the reported transition metal carbon-based electrocatalysts and being comparable to commercial Pt/C electrocatalysts. Likewise, the mf-pClNC electrocatalyst also shows state-of-the-art ORR activity and stability in acidic electrolyte. From experimental and theoretical calculations, the better ORR activity is most likely originated from the fact that the introduced Cl promotes the increase of sp3 -hybridized carbon, while the sp3 -hybridized carbon and Cl together modify the electronic structure of the N-adjacent carbons, as the active sites, while NaCl molten-salt etching provides abundant paths for the transport of electrons/protons. Furthermore, the liquid rechargeable ZAB using the mf-pClNC electrocatalyst as the cathode shows a fulfilling performance with a peak power density of 276.88 mW cm-2 . Flexible quasi-solid-state rechargeable ZAB constructed with the mf-pClNC electrocatalyst as the cathode exhibits an exciting performance both at low, high and room temperatures.
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