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Edge atomic Fe sites decorated porous graphitic carbon as an efficient bifunctional oxygen catalyst for Zinc-air batteries

双功能 析氧 过电位 电催化剂 催化作用 化学工程 化学 氧气 双功能催化剂 材料科学 无机化学 电极 电化学 物理化学 有机化学 工程类
作者
Ruihui Gan,Yali Wang,Xiangwu Zhang,Yan Song,Jingli Shi,Chang Ma
出处
期刊:Journal of Energy Chemistry [Elsevier BV]
卷期号:83: 602-611 被引量:19
标识
DOI:10.1016/j.jechem.2023.03.056
摘要

The development of advanced bifunctional oxygen electrocatalysts for oxygen reduction and evolution reactions (ORR and OER) is critical to the practical application of zinc-air batteries (ZABs). Herein, a silica-assisted method is reported to integrate numerous accessible edge Fe-Nx sites into porous graphitic carbon (named Fe-N-G) for achieving highly active and robust oxygen electrocatalysis. Silica facilitates the formation of edge Fe-Nx sites and dense graphitic domains in carbon by inhibiting iron aggregation. The purification process creates a well-developed mass transfer channel for Fe-N-G. Consequently, Fe-N-G delivers a half-wave potential of 0.859 V in ORR and an overpotential of 344 mV at 10 mA cm−2 in OER. During long-term operation, the graphitic layers protect edge Fe-Nx sites from demetallation in ORR and synergize with FeOOH species endowing Fe-N-G with enhanced OER activity. Density functional theory calculations reveal that the edge Fe-Nx site is superior to the in-plane Fe-Nx site in terms of OH* dissociation in ORR and OOH* formation in OER. The constructed ZAB based on Fe-N-G cathode shows a higher peak power density of 133 mW cm−2 and more stable cycling performance than Pt/C + RuO2 counterparts. This work provides a novel strategy to obtain high-efficiency bifunctional oxygen electrocatalysts through space mediation.
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