Doping Effect on Mesoporous Carbon-Supported Single-Site Bifunctional Catalyst for Zinc–Air Batteries

双功能 介孔材料 材料科学 催化作用 兴奋剂 碳纤维 双功能催化剂 无机化学 纳米技术 化学 化学工程 冶金 有机化学 复合数 光电子学 复合材料 工程类
作者
Jian Sheng,Sida Sun,Guodong Jia,Sheng Zhu,Yan Li
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:16 (10): 15994-16002 被引量:146
标识
DOI:10.1021/acsnano.2c03565
摘要

Rechargeable zinc-air batteries (ZABs) require bifunctional electrocatalysts presenting high activity in oxygen reduction/evolution reactions (ORR/OER), but the single-site metal-N-C catalysts suffer from their low OER activity. Herein, we designed a series of single-site Fe-N-C catalysts, which present high surface area and good conductivity by incorporating into mesoporous carbon supported on carbon nanotubes, to study the doping effect of N and P on the bifunctional activity. The additional P-doping dramatically increased the content of active pyridine-N and introduced P-N/C/O sites, which not only act as extra active sites but also regulate the electron density of Fe centers to optimize the absorption of oxygenated intermediates, thereby ultimately improving the bifunctional activity of Fe-N-C sites. The optimized catalyst displayed a half-wave potential of 0.882 V for ORR and a low overpotential of 365 mV at 10 mA cm-2 for OER, which significantly outperforms the counterpart without P, as well as noble-metal-based catalysts. The ZABs with air cathodes containing the N,P-co-doped catalysts exhibited a high peak power density of 201 mW cm-2 and a long cycling stability beyond 600 h. Doping has shown to be an effective way to optimize the performance of single-site catalysts in bifunctional oxygen electrocatalysis, which can be extended to other catalyst systems.
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