Engineering the electronic structure of Fe-N/C catalyst via fluorine self-doping for enhanced oxygen reduction reaction in liquid and all-solid-state Zn-air batteries

催化作用 杂原子 兴奋剂 材料科学 化学工程 电化学 热解 纳米技术 化学 电极 有机化学 物理化学 光电子学 工程类 戒指(化学)
作者
Tianfang Yang,Ye Chen,Miao Tian,Xupo Liu,Fengxian Zhang,Jing Zhang,Kun Wang,Shuyan Gao
出处
期刊:Electrochimica Acta [Elsevier]
卷期号:443: 141907-141907 被引量:20
标识
DOI:10.1016/j.electacta.2023.141907
摘要

Heteroatom doping is considered as an effective approach that manipulates the local bonding environment to improve the electroactivity of Fe-N/C catalysts. Herein, the oxidation polymerization-pyrolysis approach is applied to fabricate the uniformly F-doped porous Fe-N/C catalysts (F-FeNC) through utilizing 4-fluoroaniline as a “self-doping” precursor with N and F elements simultaneously. The synergistic effect between ligand trapping and long-range interaction of F atoms provides high density of Fe-Nx active sites. The F-FeNC catalyst demonstrates superior ORR performance in alkaline media with a positive half-wave potential (E1/2) of 0.82 V, low H2O2 yield of ∼3.4% and rapid 4e− transfer process. The liquid-state Zn-air battery (ZAB) assembled with F-FeNC catalyst as air cathode delivers excellent rate capability, power density (141 mW cm−2), specific capacity (760 mAh g−1) and long-term cycle durability over 120 h. Moreover, the as-assembled all-solid-state ZAB shows excellent cycle stability at 0°∼180° bending conditions, revealing great prospects in flexible electronic device applications. Engineering the electronic structure of active sites via F self-doping provides an insightful route for designing multi-heteroatom doped Fe-N/C catalysts.
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