F‐Doped Co−N−C Catalysts for Enhancing the Oxygen Reduction Reaction in Zn‐Air Batteries

咔咯 催化作用 过电位 电池(电) 电催化剂 电解质 兴奋剂 材料科学 化学 无机化学 电极 物理化学 有机化学 电化学 光电子学 量子力学 物理 功率(物理)
作者
Chao Xu,Pengpeng Guo,Kun‐Zu Yang,Lu Chen,Ping‐Jie Wei,Jin‐Gang Liu
出处
期刊:Chemcatchem [Wiley]
卷期号:15 (11)
标识
DOI:10.1002/cctc.202300404
摘要

Abstract Zn‐air battery is a promising next‐generation energy storage device. Its performance, however, is limited by a high overpotential resulted from the slow kinetics of the cathodic oxygen reduction reaction (ORR). This study reports a simple strategy for preparation of a fluorine‐doped Co−N−C composite as highly efficient electrocatalyst for ORR. The C@PVI‐(TPFC)Co‐800 catalyst was prepared by pyrolysis of F‐containing Co‐corrole that was assembled on PVI‐functionalized carbon black through the axial imidazole coordination (PVI=polyvinylimidazole, TPFC=5,10,15‐triperfluorophenyl‐21H, 22H‐corrole). The C@PVI‐(TPFC)Co‐800 catalyst exhibited much more positive ORR half‐wave potential (E 1/2 =0.88 V vs. RHE) than its counterpart C@PVI‐(TPC)Co‐800 (E 1/2 =0.82 V, TPC=5,10,15‐triphenyl‐21H, 22H‐corrole) without F‐doping in 0.1 M KOH electrolyte. C@PVI‐(TPFC)Co‐800 also achieved a greater kinetic current density and enhanced durability in alkaline media. In addition, a Zn‐air battery with C@PVI‐(TPFC)Co‐800 loaded at the cathode delivered much higher peak power density ( P max =141 mW/cm 2 ) and open‐circuit voltage (OCV=1.45 V) over the C@PVI‐(TPC)Co‐800 counterpart ( P max =110 mW/cm 2 , OCV=1.39 V) and the commercial 20 % Pt/C ( P max =119 mW/cm 2 , OCV=1.42 V) as well. The promoted catalyst performance for ORR was attributed to the increased specific surface area, more defects generated, and reduced electron density distribution around the Co metal center after F‐doping.
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