2D Metal Porphyrin-Based MOFs and ZIF-8 Composite-Derived Carbon Materials Containing M–Nx Active Sites as Bifunctional Electrocatalysts for Zinc–Air Batteries

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作者
Min-Yi Yu,Yanfang Yao,Kun Fang,Lishui Chen,Liping Si,Haiyang Liu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (13): 16132-16144 被引量:9
标识
DOI:10.1021/acsami.3c18384
摘要

The main impediment to the development of zinc–air batteries is the sluggish kinetics of the oxygen reduction reaction (ORR) and the oxygen evolution reaction (OER). Transition metal N-doped carbon catalysts offer a promising alternative to noble metal catalysts, with metal–organic framework (MOF)-derived carbon material catalysts being particularly noteworthy. Here, we synthesized MxP-Z-C carbon catalysts by combining two-dimensional (2D) metal porphyrin-based MOFs (MxPMFs, x = Fe, Co, Ni, Mn) and three-dimensional zeolitic imidazole framework-8 (ZIF-8) through electrostatic interaction, followed by carbonization. ZIF-8 was inserted between the layers of MxPMFs to prevent its Π–Π stacking, allowing the active sites to become fully exposed. MxP-Z-C demonstrated an impressive catalytic activity for both the ORR and the OER reactions. Among them, FeP-Z-C showed the best catalytic activity. The half-wave potential for ORR was 0.92 V (vs the reversible hydrogen electrode (RHE)), while the overpotential for the OER was 290 mV. In addition, the zinc–air battery assembled by FeP-Z-C exhibited high power density (133.14 mW cm–2) and significant specific capacity (816 mAh gZn–1), indicating considerable potential as a bifunctional catalyst for electronic devices.
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