Redox Activity of Co Species in the Active Sites of CoN x /CoO x Facilitates Oxygen Electrocatalysis for Zn‐Air Batteries

电催化剂 氧化还原 氧气 化学 氧还原 无机化学 电化学 电极 物理化学 有机化学
作者
Huimin Yang,Hao Wang,Haorong Cheng,Xinyuan Xu,Jing Li,Xiaoyan He,Lin Tian,Li Zhao
出处
期刊:Chemistry: A European Journal [Wiley]
标识
DOI:10.1002/chem.202402972
摘要

Developing efficient bifunctional oxygen electrocatalysts is crucial for enhancing the performance of rechargeable Zn-air batteries (ZABs). In this study, cobalt/cobalt oxides embedded in N-doped carbon nanofibers (Co/CoOx/NCNFs) were synthesized through a combination of electrospinning and annealing processes. The resulting Co/CoOx/NCNFs catalysts feature abundant CoNx and CoOx active species, leveraging the large specific surface area of nanofibers to facilitate oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER). The optimized Co/CoOx/NCNFs-0.1 achieved a half-wave potential (vs. RHE) of 0.82 V and required only 429 mV to reach 10 mA cm⁻² in a typical three-electrode system with 0.1 M KOH using an electrochemical workstation equipped with a pine instruments rotator, outperforming the Pt/C+RuO2. The assembled ZABs exhibited high specific capacity (771 mAh gZn-1), substantial power density (981.6 mWh gZn-1), and long-term stability (>325 h). In situ Raman spectroscopy confirmed that the electrocatalytic processes involve the redox activity of Co (II and III) species derived from abundant CoNx and CoOx, elaborating the origin of the catalysts' exceptional oxygen electrocatalysis performance. This work not only presents a straightforward and effective approach for producing bifunctional oxygen electrocatalysts in ZABs but also sheds light on the catalytic mechanisms underlying ORR and OER for CoNx/CoOx-based oxygen electrocatalysts.
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