Electronic tuning of confined sub-nanometer cobalt oxide clusters boosting oxygen catalysis and rechargeable Zn–air batteries

纳米团簇 材料科学 双功能 氧化钴 密度泛函理论 析氧 催化作用 过电位 氧化物 纳米材料 化学工程 电化学 纳米技术 物理化学 电极 计算化学 化学 冶金 工程类 生物化学
作者
Yangyang Tan,Wangbin Zhu,Zeyi Zhang,Wei Wu,Runzhe Chen,Shichun Mu,Haifeng Lv,Niancai Cheng
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier]
卷期号:83: 105813-105813 被引量:129
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2021.105813
摘要

Reasonable design of robust bifunctional oxygen catalysts from an electronic structure perspective is intriguing and challenging for the development of high active rechargeable zinc-air batteries (ZABs). In this study, the favorable regulation of the electronic structure of the cobalt oxide nanoclusters was firstly predicted by density functional theory (DFT) simulation, and then experimentally verified by confining sub-nanometer CoOx clusters (0.86 nm) into the small pore of ZIF-8 derived N-doped nanomaterials (PNC) using a microporous MOFs confinement strategy. The confined effect of the MOF micropores not only enhanced the stability of the sub-nanometer cobalt oxide clusters, but also make it coupled with Co‒Nx to further regulate the electronic structure of the former, synergistic resulting in enhanced ORR/OER actives. As a result, the optimized 0.05CoOx@PNC catalyst demonstrates outstanding bifunctional oxygen performance with a smaller potential gap of 0.67 V. Moreover, the rechargeable Zn-air batteries integrated 0.05CoOx@PNC air cathode displays encouraging performance with a peak power density of 157.1 mW cm−2, a specific capacity of 887 mAh gZn−1at 10 mA cm−2 and long-term cyclability for over 200 h, significantly outperforming the benchmark electrode couple consisted of Pt/C/RuO2. DFT calculation further revealed that reducing particle size and coupling with Co‒N could effectively regulate the charge distribution of CoOx nanoclusters and downshift the d-band center of Co adsorption sites in CoOx nanoclusters, which reduced the reaction barrier of intermediate O2* and OH* and ORR/OER overpotential, thus accelerating the overall ORR/OER kinetic process. This work offers a novel reference for the construction of a robust sub-nanometer cluster catalysts in the field of ZABs.
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