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In situ growth of surface-reconstructed aluminum fluoride nanoparticles on N, F codoped hierarchical porous carbon nanofibers as efficient ORR/OER bifunctional electrocatalysts for rechargeable zinc-air batteries

双功能 材料科学 化学工程 碳纳米纤维 纳米颗粒 催化作用 纳米纤维 多孔性 氟化物 纳米技术 无机化学 化学 碳纳米管 复合材料 冶金 有机化学 工程类
作者
Qiang Zeng,Nanping Deng,Gang Wang,Yan Feng,Weimin Kang,Bowen Cheng
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier BV]
卷期号:654: 1063-1079 被引量:10
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2023.10.083
摘要

Modified porous carbon fibers have emerged as crucial electrocatalytic materials for zinc-air battery (ZAB) systems. However, most methods for preparing porous carbon fibers are complex and exhibit single functionality and poor catalytic activity, which hinders the development of ZABs. In this study, we design and synthesize a novel type of N, F codoped hierarchical porous carbon fiber with in situ growth of aluminum fluoride nanoparticles (AlF3@HPCNFs) through electrospinning and high-temperature carbonization. The N, F codoping effectively adjusts the charge density of neighboring carbon atoms and introduces additional active sites. Furthermore, the catalytic process induces surface reconstruction of AlF3 nanoparticles, allowing for their full exposure to the liquid electrolyte and accelerated catalytic reactions. Additionally, this interconnected hierarchical porous structure accelerates mass transfer at the oxygen/carbon-based substrate/electrolyte three-phase interfaces, thereby enhancing reaction kinetics and the accessibility of catalytic active sites, ultimately improving the utilization efficiency of these sites. Consequently, the AlF3@HPCNFs catalyst exhibits excellent bifunctional performance with a narrow potential difference (△E = 0.67 V). Moreover, the obtained bifunctional electrocatalyst is utilized for rechargeable ZABs, surpassing commercially available Pt/C + RuO2 cells in terms of high specific capacity (796 mAh gzn−1) and outstanding cycling stability (over 500 h). This research demonstrates the potential of AlF3@HPCNFs as a bifunctional electrocatalyst and introduces a simplified and effective method for the fabrication of metal fluoride-modified and hierarchically porous carbon nanofibers for rechargeable ZABs.
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