Oxygen Reduction Kinetics of Fe–N–C Single Atom Catalysts Boosted by Pyridinic N Vacancy for Temperature-Adaptive Zn–Air Batteries

化学 催化作用 动力学 电解质 氧气 溶剂化 阴极 二甲氧基甲烷 化学工程 物理化学 溶剂 有机化学 电极 量子力学 物理 工程类
作者
Lulu Lyu,Hu Xu,Suwon Lee,Wenqi Fan,Gilseob Kim,Jiliang Zhang,Zhen Zhou,Yong‐Mook Kang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (7): 4803-4813 被引量:155
标识
DOI:10.1021/jacs.3c13111
摘要

The design of temperature-adaptive Zn-air batteries (ZABs) with long life spans and high energy efficiencies is challenging owing to sluggish oxygen reduction reaction (ORR) kinetics and an unstable Zn/electrolyte interface. Herein, a quasi-solid-state ZAB is designed by combining atomically dispersed Fe-N-C catalysts containing pyridinic N vacancies (FeNC-VN) with a polarized organo-hydrogel electrolyte. First-principles calculation predicts that adjacent VN sites effectively enhance the covalency of Fe-Nx moieties and moderately weaken *OH binding energies, significantly boosting the ORR kinetics and stability. In situ Raman spectra reveal the dynamic evolution of *O2- and *OOH on the FeNC-VN cathode in the aqueous ZAB, proving that the 4e- associative mechanism is dominant. Moreover, the ethylene glycol-modulated organo-hydrogel electrolyte forms a zincophilic protective layer on the Zn anode surface and tailors the [Zn(H2O)6]2+ solvation sheath, effectively guiding epitaxial deposition of Zn2+ on the Zn (002) plane and suppressing side reactions. The assembled quasi-solid-state ZAB demonstrates a long life span of over 1076 h at 2 mA cm-2 at -20 °C, outperforming most reported ZABs.
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