Hierarchical pore engineering of MOF-5 derived electrocatalysts with high mass transfer for zinc-air flow batteries

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作者
Qing Han,Yiming Leng,Ling-Ling Zhai,Chunzhu Bao,Shouxin Zhang,Jingkui Hou,Zhonghua Xiang
出处
期刊:International Journal of Hydrogen Energy [Elsevier]
卷期号:71: 165-173 被引量:1
标识
DOI:10.1016/j.ijhydene.2024.05.288
摘要

From micro to macro level, the performance of zinc-air flow battery (ZAFB) hinges on two crucial factors: the effective oxygen reduction reaction (ORR) electrocatalysts, and the durable triple-phase electrodes. However, sluggish kinetic process always occurs due to insufficient active sites and hysteretic mass transfer. In this work, a well-confined iron phthalocyanine (FePc) structure onto carbonized metal-organic framework (C-MOF5) electrocatalyst is constructed through a pyrolysis-free strategy. The macrocyclic skeleton of MOF-5 has been confirmed to offer a stronger and more abundant environment for hosting FePc molecules. Attributing to the hierarchical pore engineering of MOF-5, the FePc@C-MOF5 electrocatalyst reveals a high content of Fe (5.68 wt%) with multiple exposed active sites. Notably, the FePc@C-MOF5 exhibits a remarkably high half-wave potential of 0.915 V for ORR in 0.1 M KOH, surpassing that of commercial Pt/C by nearly 60 mV. From a higher-level device perspective, the highest oxygen diffusion velocity and local current density of the FePc@C-MOF5 electrode is verified by computational fluid dynamics (CFD) simulations. As a result, the as-assembled ZAFB demonstrates long-term stability with 200 h' cycling. This work not only presents the hierarchical pore tailoring strategy for designing ORR electrocatalysts but also offers a deeper understanding of the essence of interfacial mass transfer.
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