Oxygen-bridging Fe, Co dual-metal dimers boost reversible oxygen electrocatalysis for rechargeable Zn–air batteries

析氧 电催化剂 过电位 氧气 催化作用 化学 双功能 材料科学 无机化学 电极 物理化学 电化学 生物化学 有机化学
作者
Qixing Zhou,Wendan Xue,Xun Cui,Pengfei Wang,Sijin Zuo,Fan Mo,Chengzhi Li,G. Liu,Shaohu Ouyang,Sihui Zhan,Juan Chen,Chao Wang
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:121 (30)
标识
DOI:10.1073/pnas.2404013121
摘要

Rechargeable zinc–air batteries (ZABs) are regarded as a remarkably promising alternative to current lithium-ion batteries, addressing the requirements for large-scale high-energy storage. Nevertheless, the sluggish kinetics involving oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER) hamper the widespread application of ZABs, necessitating the development of high-efficiency and durable bifunctional electrocatalysts. Here, we report oxygen atom–bridged Fe, Co dual-metal dimers (FeOCo-SAD), in which the active site Fe–O–Co–N 6 moiety boosts exceptional reversible activity toward ORR and OER in alkaline electrolytes. Specifically, FeOCo-SAD achieves a half-wave potential ( E 1/2 ) of 0.87 V for ORR and an overpotential of 310 mV at a current density of 10 mA cm –2 for OER, with a potential gap (Δ E ) of only 0.67 V. Meanwhile, FeOCo-SAD manifests high performance with a peak power density of 241.24 mW cm −2 in realistic rechargeable ZABs. Theoretical calculations demonstrate that the introduction of an oxygen bridge in the Fe, Co dimer induced charge spatial redistribution around Fe and Co atoms. This enhances the activation of oxygen and optimizes the adsorption/desorption dynamics of reaction intermediates. Consequently, energy barriers are effectively reduced, leading to a strong promotion of intrinsic activity toward ORR and OER. This work suggests that oxygen-bridging dual-metal dimers offer promising prospects for significantly enhancing the performance of reversible oxygen electrocatalysis and for creating innovative catalysts that exhibit synergistic effects and electronic states.
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