Insightful Understanding of Synergistic Oxygen Reduction on PtCo3(111) Toward Zinc‐Air Batteries

催化作用 材料科学 氧还原反应 纳米颗粒 金属间化合物 合金 化学工程 电极 密度泛函理论 氧还原 纳米技术 化学 电化学 冶金 物理化学 有机化学 计算化学 工程类
作者
Xiangxiong Chen,Jiangnan Guo,Dong Qian,Jiayun Wu,Weixiong Liao,Geoffrey I. N. Waterhouse,Jinlong Liu
出处
期刊:Small [Wiley]
标识
DOI:10.1002/smll.202403894
摘要

Abstract Theory‐guided materials design is an effective strategy for designing catalysts with high intrinsic activity whilst minimizing the usage of expensive metals like platinum. As proof‐of‐concept, herein it demonstrates that using density functional theory (DFT) calculations and experimental validation that intermetallic PtCo 3 alloy nanoparticles offer enhanced electrocatatalytic performance for the oxygen reduction reaction (ORR) compared to Pt nanoparticles. DFT calculations established that PtCo 3 (111) surfaces possess better intrinsic ORR activity compared to Pt(111) surfaces, owing to the synergistic action of adjacent Pt and Co active sites which optimizes the binding strength of ORR intermediates to boost overall ORR kinetics. With this understanding, a PtCo 3 /NC catalyst, comprising PtCo 3 nanoparticles exposing predominantly (111) facets dispersed on an N‐doped carbon support, is successfully fabricated. PtCo 3 /NC demonstrates a high specific activity (3.4 mA cm −2 mg Pt −1 ), mass activity (0.67 A mg Pt −1 ), and cycling stability for the ORR in 0.1 M KOH, significantly outperforming a commercial 20 wt.% Pt/C catalyst. Moreover, a zinc‐air battery (ZAB) assembled with PtCo 3 /NC as the air‐electrode catalyst delivered an open‐circuit voltage of 1.47 V, a specific capacity of 775.1 mAh g Zn −1 and excellent operation durability after 200 discharge/charge cycles, vastly superior performance to a ZAB built using commercial Pt/C+IrO 2 as the air‐electrode catalyst.
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