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Porous carbon nanofibers confined NiFe alloy nanoparticles as efficient bifunctional electrocatalysts for Zn-air batteries

双功能 材料科学 合金 纳米纤维 化学工程 多孔性 碳纳米纤维 电催化剂 纳米颗粒 碳纤维 纳米技术 催化作用 电极 冶金 复合材料 电化学 碳纳米管 有机化学 化学 物理化学 工程类 复合数
作者
Hang Lei,Liang Ma,Qixiang Wan,Zhuowen Huangfu,Shaozao Tan,Zilong Wang,Wenjie Mai
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier]
卷期号:104: 107941-107941 被引量:57
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2022.107941
摘要

Zn-air batteries (ZABs) present attractive applications for next-generation sustainable energy storage owing to their low cost and intrinsic safety; however, the power density and durability of ZABs are often limited by the poor ion/mass transfer at triple-interfaces. Here, we propose efficient structural engineering to significantly promote the O 2 adsorption/transfer and OH - diffusion. By confining NiFe alloy nanoparticles into porous carbon nanofibers, the as-designed bifunctional catalysts (H-NiFe/CNF) feature abundant hierarchical pores and a high specific surface area. The finite element method and oxygen adsorption-desorption measurement convincingly confirm that this ingenious structural design dramatically enlarges the adsorption capacity, diffusion efficiency and transport scale of OH - /oxygen. These charming characteristics allow the H-NiFe/CNF to exhibit remarkable bifunctional activity, delivering an indicator ΔE of 0.67 V, which is superior to most previous reports and noble-metal-based Pt/C+IrO 2 benchmark. Accordingly, long-term stability (over 800 cycles at 5 mA cm −2 ) and excellent rate performances are achieved in liquid ZABs. Correspondingly, the flexible ZABs also exhibit high power density and long-cycling durability. This work highlights ion/mass transfer regulation to design bifunctional oxygen electrocatalysis for the metal-air battery. This work clarifies the differences between rotating disk electrode and Zn-air battery test conditions and provides fresh insights into optimizing O 2 adsorption/diffusion and OH - /charge transport to the directional design of bifunctional catalysts for Zn-air batteries. • The differences between rotating disk electrode and Zn-air battery test conditions are elucidated. • The ingenious structural design dramatically enlarges the adsorption/diffusion efficiency of OH - /oxygen. • The as-prepared H-NiFe/CNF catalyst exhibits remarkable bifunctional activity, delivering an indicator ΔE of 0.67 V. • The liquid and flexible ZABs based on H-NiFe/CNF achieve long-term stability and excellent rate performances.
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