Interpenetrating Triphase Cobalt‐Based Nanocomposites as Efficient Bifunctional Oxygen Electrocatalysts for Long‐Lasting Rechargeable Zn–Air Batteries

材料科学 双功能 纳米复合材料 化学工程 析氧 离子键合 纳米技术 尖晶石 金属 催化作用 电极 纳米颗粒 电化学 离子 物理化学 化学 有机化学 冶金 工程类
作者
Yi Jiang,Ya‐Ping Deng,Jing Fu,Dong Un Lee,Ruilin Liang,Zachary P. Cano,Yangshuai Liu,Zhengyu Bai,Sooyeon Hwang,Lin Yang,Dong Su,Weiguo Chu,Zhongwei Chen
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:8 (15) 被引量:300
标识
DOI:10.1002/aenm.201702900
摘要

Abstract Rational construction of atomic‐scale interfaces in multiphase nanocomposites is an intriguing and challenging approach to developing advanced catalysts for both oxygen reduction (ORR) and evolution reactions (OER). Herein, a hybrid of interpenetrating metallic Co and spinel Co 3 O 4 “Janus” nanoparticles stitched in porous graphitized shells (Co/Co 3 O 4 @PGS) is synthesized via ionic exchange and redox between Co 2+ and 2D metal–organic‐framework nanosheets. This strategy is proven to effectively establish highways for the transfer of electrons and reactants within the hybrid through interfacial engineering. Specifically, the phase interpenetration of mixed Co species and encapsulating porous graphitized shells provides an optimal charge/mass transport environment. Furthermore, the defect‐rich interfaces act as atomic‐traps to achieve exceptional adsorption capability for oxygen reactants. Finally, robust coupling between Co and N through intimate covalent bonds prohibits the detachment of nanoparticles. As a result, Co/Co 3 O 4 @PGS outperforms state‐of‐the‐art noble‐metal catalysts with a positive half‐wave potential of 0.89 V for ORR and a low potential of 1.58 V at 10 mA cm −2 for OER. In a practical demonstration, ultrastable cyclability with a record lifetime of over 800 h at 10 mA cm −2 is achieved by Zn–air batteries with Co/Co 3 O 4 @PGS within the rechargeable air electrode.
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