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Gradient Co/Zn bimetallic coordinated polymer-derived hierarchically porous carbon for boosted oxygen electrocatalysts of rechargeable Zn–air batteries

双金属片 材料科学 双功能 化学工程 电催化剂 析氧 催化作用 碳纤维 热解 电池(电) 氧气 聚合物 无机化学 电化学 电极 化学 金属 有机化学 复合材料 冶金 物理化学 功率(物理) 物理 量子力学 复合数 工程类
作者
Zihan Meng,Gang Zhu,Jiawei Wu,Rui Wang,Tian Tian,Haibo Tang,Ren C. Luo,Donghao Ye,Ruiming Zhang,Felix Kwofie,Yi Cheng,Haolin Tang
出处
期刊:Materials Today Energy [Elsevier BV]
卷期号:24: 100935-100935 被引量:20
标识
DOI:10.1016/j.mtener.2021.100935
摘要

The controllable design of low-cost oxygen electrocatalysts with outstanding activity and durability is a top priority for rechargeable metal–air batteries. Herein, a facile approach is proposed for obtaining hierarchically porous cobalt–nitrogen codoped carbon for reversible oxygen reduction and evolution reactions via the pyrolysis of Co/Zn bimetallic coordinated polymers with gradient Co:Zn ratio. The evaporation of Zn species during the pyrolysis process combined with the Kirkendall effect of Co species resulted in the formation of hierarchical porosity, which further creates highly accessible defective sites and improves multiscale mass transfer. The C-7Co93Zn catalyst with optimized defective Co–Nx and small-sized Co3O4 nanoparticles delivers an optimal bifunctional activity with a potential gap of 0.79 V for reversible oxygen reduction reaction (E1/2) and oxygen evolution reaction (Ej = 10). Moreover, it displays a superior power density of 122 mW cm−2 and long-term durability in a rechargeable Zn–air battery. Density functional theory calculations indicate that the defects adjacent to Co–Nx display improved electrocatalytic oxygen reduction with a smaller energy barrier. This work provides a facile method for optimizing the Co:Zn ratio towards the synthesis of bifunctional oxygen electrocatalyst derived from a class of bimetallic coordinated polymers resulting in hierarchically porous structure and defective cobalt-based active sites.
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