Defective Fe3O4‐x Few‐Atom Clusters Anchored on Nitrogen‐Doped Carbon as Efficient Oxygen Reduction Electrocatalysts for High‐Performance Zinc–Air Batteries

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作者
Panpan Chu,Yingmeng Zhang,Jiajie He,Jinhong Chen,Jingjun Zhuang,Yongliang Li,Xiangzhong Ren,Peixin Zhang,Lingna Sun,Bingzhe Yu,Shaowei Chen
出处
期刊:Small methods [Wiley]
卷期号:6 (7) 被引量:18
标识
DOI:10.1002/smtd.202200207
摘要

Abstract It remains a challenge to develop cost‐effective, high‐performance oxygen electrocatalysts for rechargeable metal–air batteries. Herein, zinc‐mediated zeolitic imidazolate frameworks are exploited as the template and nitrogen and carbon sources, onto which is deposited a Fe 3 O 4 layer by plasma‐enhanced atomic layer deposition. Controlled pyrolysis at 1000 °C leads to the formation of high density of Fe 3 O 4‐ x few‐atom clusters with abundant oxygen vacancies deposited on an N‐doped graphitic carbon framework. The resulting nanocomposite (Fe 3 O 4‐ x /NC‐1000) exhibits a markedly enhanced electrocatalytic performance toward oxygen reduction reaction in alkaline media, with a remarkable half‐wave potential of +0.930 V versus reversible hydrogen electrode, long‐term stability, and strong tolerance against methanol poisoning, in comparison to samples prepared at other temperatures and even commercial Pt/C. Notably, with Fe 3 O 4‐ x /NC‐1000 as the cathode catalyst, a zinc–air battery delivers a high power density of 158 mW cm −2 and excellent durability at 5 mA cm −2 with stable 2000 charge–discharge cycles over 600 h. This is ascribed to the ready accessibility of the Fe 3 O 4‐ x catalytic active sites, and enhanced electrical conductivity, oxygen adsorption, and electron‐transfer kinetics by surface oxygen vacancies. Further contributions may arise from the highly conductive and stable N‐doped graphitic carbon frameworks.
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