Atomic Engineering of 3D Self‐Supported Bifunctional Oxygen Electrodes for Rechargeable Zinc‐Air Batteries and Fuel Cell Applications

材料科学 双功能 析氧 电极 燃料电池 自放电 氧气 纳米技术 化学工程 冶金 电化学 催化作用 工程类 电解质 化学 有机化学 物理化学
作者
Milan Babu Poudel,Mannix P. Balanay,Prakash Chandra Lohani,Karthikeyan Sekar,Dong Jin Yoo
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:14 (30) 被引量:12
标识
DOI:10.1002/aenm.202400347
摘要

Abstract The oxygen evolution reaction (OER) and oxygen reduction reaction (ORR) are cornerstone half reactions involved in many renewable energy technologies. High‐density single‐atom catalysts maximize the atom utilization and isolated active sites. Furthermore, introduction of pyri‐N into the carbon‐based nanostructures as an oxygen electrocatalyst creates an abundance of active sites. Here, an innovative strategy is reported based on atomic scale dispersion of Co atoms into the pyri‐N enriched carbon nanotube encapsulated Ni nanoparticles grown on 3D electrospun carbon nanofiber nano‐assemblies. Notably, the Co SA Ni‐NCNT/CNF electrocatalyst exhibited excellent OER and ORR activity in terms of low overpotentials and higher half‐wave potentials. The atomically distributed Co allows the maximum exposure of active sites on the pyri‐N dominated multidimensional carbon skeleton, and synergistic effects with Ni nanoparticles greatly reduced the delocalization around the metal centers and provided an ideal environment for interactions with oxygen intermediates, thus facilitating the 4e − pathway, as evidenced by the DFT calculations. Moreover, Zn‐air batteries using a Co SA Ni‐NCNT/CNF air cathode exhibited a high‐power density and admirable specific capacity. This studies may provide an avenue for the rational modulation of single‐atom catalysts and cost‐effective, large‐scale synthesis of bifunctional oxygen electrocatalysts for rechargeable Zn‐air batteries and anion exchange membrane fuel cell.
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