Edge-doping modulation of N, P-codoped porous carbon spheres for high-performance rechargeable Zn-air batteries

材料科学 过电位 双功能 电催化剂 析氧 聚苯胺 碳纤维 电解质 无机化学 催化作用 电化学 化学工程 聚合 复合材料 电极 有机化学 化学 复合数 物理化学 工程类 聚合物
作者
Si Chen,Lanling Zhao,Jizhen Ma,Yueqing Wang,Liming Dai,Jintao Zhang
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier]
卷期号:60: 536-544 被引量:270
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2019.03.084
摘要

The development of low-cost efficient bifunctional oxygen electrocatalysts is of importance for optimizing the performance of metal-air batteries. By using manganese dioxide spheres as both the redox initiator and the self-sacrificing template for the in-situ interfacial polymerization of aniline monomers, we demonstrated a facile approach to preparing porous polyaniline spheres in the presence of phytic acid. Subsequent pyrolysis led to nitrogen and phosphorous co-doped carbon spheres (NPCSs) with highly porous structure and good bifunctional electrocatalytic activities for oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER). Specifically, NPCSs exhibited a comparable half-wave potential (0.83 V vs. RHE) to that of commercial Pt/C, but a larger current density, for ORR and was superior to RuO2 (overpotential, 320 mV) for OER with a smaller overpotential of 310 mV. The Density Functional Theory (DFT) calculations revealed firstly that the heteroatom-doping at the edges of the porous structure plays a dominate role in achieving the high bifunctional catalytic activities. Furthermore, the bifunctional oxygen electrocatalysis enabled the fabrication of high-performance Zn-air batteries in aqueous and solid-state electrolytes, exhibiting large energy density, high power density, and good cycling stability.
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