Core-shell MOF-derived Fe3C-Co-NC as high-performance ORR/OER bifunctional catalyst

双功能 过电位 催化作用 沸石咪唑盐骨架 双功能催化剂 析氧 化学工程 材料科学 咪唑酯 化学 纳米颗粒 纳米技术 无机化学 金属有机骨架 物理化学 电化学 有机化学 电极 工程类 吸附
作者
Huaqi Wang,Chenghong Sun,Enze Zhu,Chaoyang Shi,Jie Yu,Mingli Xu
出处
期刊:Journal of Alloys and Compounds [Elsevier]
卷期号:948: 169728-169728 被引量:26
标识
DOI:10.1016/j.jallcom.2023.169728
摘要

Metal–organic framework (MOF)-derived carbon materials have emerged as important candidates in the field of catalysis because of their simple synthesis, easy construction, good conductivity, and high catalytic activity. Fe3C nanoparticles prepared from MOFs facilitate the catalytic activity of adjacent single atoms and exhibit powerful catalytic properties. In this work, a composite structured catalyst with Fe3C, Co nanoparticles, and M-Nx single atoms (M = Co, Fe) was synthesized (denoted as Fe3C-Co-NC) by constructing Fe-doped bilayer zeolitic imidazolate frameworks (ZIFs) with a core–shell structure, which were used as bifunctional catalysts for oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER). The Fe3C-Co-NC catalyst exhibits superior half-wave potential (E1/2 = 0.89 V) and overpotential (Ej=10 = 1.67 V) and outperforms the commercial Pt/C and RuO2. This result can be attributed to the high specific surface area, hierarchical pore structure, and high graphitization degree of the Fe3C-Co-NC catalyst, especially the synergistic effect between Fe3C and adjacent single-atom active sites. Specifically, the Zn–air battery assembled using the Fe3C-Co-NC catalyst displays high peak power density (203 mW cm−2) and specific capacity (815 mAh g−1) without degradation after charge/discharge cycles for 57 h. Therefore, this work offers important insights into the design and research of high-performance ORR/OER bifunctional catalysts.
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