Dual‐Sites Coordination Engineering of Single Atom Catalysts for Flexible Metal–Air Batteries

过电位 材料科学 双功能 催化作用 金属 碳纤维 析氧 化学工程 纳米技术 Atom(片上系统) 物理化学 电化学 化学 冶金 电极 有机化学 复合材料 计算机科学 工程类 嵌入式系统 复合数
作者
Deshuang Yu,Yanchen Ma,Feng Hu,Chia‐Ching Lin,Linlin Li,Han‐Yi Chen,Xiaopeng Han,Shengjie Peng
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:11 (30) 被引量:378
标识
DOI:10.1002/aenm.202101242
摘要

Abstract Dual‐sites single atom catalysts hold promise for efficiently regulating multiple reaction processes and explicitly explaining the underlying mechanisms. However, delicate atomic engineering for dual‐site single atom catalysts remains a huge challenge. Herein, atomically dispersed Fe‐Ni single atoms embedded in a nitrogen‐doped carbon matrix (FeNi SAs/NC) are successfully developed with extraordinary activity for electrocatalytic oxygen reduction and evolution reactions (ORR/OER). The atomic FeNi SAs/NC catalyst displays high onset potential (0.98 V) and half‐wave potential (0.84 V) for the ORR, as well as, low overpotential of (270 mV) at 10 mA cm −2 for the OER. The density functional theory calculations indicate that the Fe site as the active center can facilitate the four‐electron reaction process, while Ni sites regulate the electronic structure of Fe sites and further reduce the energy barrier of the rate‐determining step. In addition, the nitrogen‐doped carbon matrix prevents the metal atoms from aggregation and corrosion, leading to the improvement of catalyst durability. As a proof of concept, flexible quasi‐solid‐state zinc– and aluminum–air batteries assembled with the FeNi SAs/NC catalyst exhibit superior peak power densities and discharging specific capacities outperforming the commercial Pt/C. This work provides rational guidance for the synthesis of bifunctional electrocatalysts in next‐generation energy devices for flexible consumer electronics.
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