Mil-101(Fe)-Derivatized Cathode as an Efficient Oxygen Electrocatalyst for Rechargeable Zn-Air Battery

电池(电) 过电位 析氧 催化作用 电催化剂 阴极 电化学 杂原子 材料科学 介孔材料 化学工程 纳米技术 化学 电极 无机化学 有机化学 物理化学 戒指(化学) 功率(物理) 物理 量子力学 工程类
作者
Long Hao,Rui Guo,Ting Yu,Chunming Liu,Jingbi You,Hangzhou Zhang
标识
DOI:10.2139/ssrn.4695712
摘要

The exploration of multifunctional electrocatalysts with cost-effective and high kinetic activity for oxygen evolution reaction (OER) and oxygen reduction reaction (ORR) is crucial for the development of advanced energy conversion and storage equipment. Herein, A novel hierarchical mesoporous/macropores MIL-101(Fe) derivative carbon catalyst material was prepared by a simple molten ZnCl2-assisted synthesis route. Specifically, 1H-benzotriazole (BTA) organic ligands were intentionally introduced as nitrogen sources in order to induce the formation of charge-rich regions through an electronegative nitrogen doping control strategy, and most importantly, the lone pair electron-rich nature of element N could facilitate the separation and anchoring of iron species enchanted the utilization rate of active sites. Because of these properties, the as-prepared catalyst (denoted as FeSACs/NxC) possesses unrivalled bifunction electrocatalytic activity and durability for the ORR and OER. The FeSACs/N1.25C as working electrode exhibits a quite satisfactory electrochemical performance for the ORR (half-wave potential of 0.82 V) and OER (a small overpotential of 302 mV at 10 mA cm−2) in the classic three-electrode configuration. Moreover, the FeSACs/N1.25C-based air cathode imparts encouraging performance in a rechargeable Zn–air battery prototype with an open-circuit voltage of 1.45 V, a specific capacity of 792.16 mAh g−1, an energy density of 871.38 Wh kg−1, and excellent stability for 120 h. This work has opened the way for the development of low-cost, fast kinetic and stable non-noble metal multifunctional catalysts.

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