Rich atomic interfaces between sub-1 nm RuOx clusters and porous Co3O4 nanosheets boost oxygen electrocatalysis bifunctionality for advanced Zn-air batteries

电催化剂 材料科学 析氧 氧气 多孔性 化学工程 纳米技术 无机化学 电化学 电极 物理化学 复合材料 工程类 有机化学 化学
作者
Qian Lü,Yanan Guo,Peng Mao,Kaiming Liao,Xiaohong Zou,Jie Dai,Peng Tan,Ran Ran,Wei Zhou,Meng Ni,Zongping Shao
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:32: 20-29 被引量:102
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2020.06.015
摘要

The practical use of Zn-air batteries (ZABs) is strongly dependent on the availability of bifunctional oxygen electrocatalysts that should have high activity and durability for both oxygen evolution/reduction reactions (OER/ORR) in alkaline solution. Herein, we report the design of a new Ru-based bifunctional catalyst characterized with rich atomic interfaces through the in-situ growth of sub-1nm RuOx clusters on the surface of porous Co3O4 nanosheets with 4.1 ​wt% Ru loaded. Such unique architecture ensures the creation of high-energy interfacial Ru-O-Co bond that allows fine tuning of the electronic structure of both Ru and Co. The as-prepared catalyst exhibits superior oxygen electrocatalysis bifunctionality, indicated by an ultralow potential gap of 0.71 ​V between the potential of OER at 10 ​mA ​cm-2 (1.51 ​V) and the half-wave potential for ORR (0.80 ​V). Remarkably, rechargeable ZAB with such electrocatalyst demonstrates not only high rate performance (50 ​mA ​cm−2) and power density (150 ​mW ​cm-2), but also superior round-trip efficiency (68.4%, after 250 ​h). X-ray photoelectron and Raman spectroscopy reveal that the active sites for ORR/OER are mainly the unsaturated trivalence Ru in RuOx clusters, and the formed interfacial Ru-O-Co bond can avoid the dissolution of RuOx in alkaline electrolyte, holding great potential in implementation of long-life rechargeable ZABs.
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