Active Sites Regulation and Mass Production of a Hierarchically Porous Fe–N–C Catalyst for Zinc–Air Batteries

催化作用 材料科学 化学工程 多孔性 传质 密度泛函理论 碳纤维 氮气 无机化学 有机化学 冶金 计算化学 复合材料 化学 色谱法 工程类 复合数
作者
Lihui Xiao,Xuesong Peng,Peixia Yang,Huiling Zhang,Xiangyu Lu,Ruopeng Li,Yaqiang Li,Anmin Liu,Shizheng Wen,Dan Wang,Jinqiu Zhang,Maozhong An
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsami.4c12959
摘要

Although the iron–nitrogen–carbon (Fe–N–C) catalyst has great potential in zinc–air batteries (ZABs), the insufficient performance and low production of the Fe–N–C catalyst are still the key factors that greatly limit the commercial application. In this study, first, a simple dual melt-salt template method is developed to prepare the hierarchically porous HPFe–N–C catalyst with abundant highly stable Fe-pyridinic-N sites. Then, HPFe–N–C and Fe-phenanthroline are mixed and heated for the mass production of THPFe–N–C with rich highly active Fe-pyrrolic-N sites. Under the synergistic effect of the different active sites, THPFe–N–C exhibits better activity and stability of oxygen reduction reaction (ORR) than Pt/C. Density functional theory is utilized to reveal the changing of the free energy for the ORR process of active sites. COMSOL multiphysics simulations are used to prove that the hierarchically porous THPFe–N–C is beneficial to the O2 mass-transfer process. Therefore, THPFe–N–C shows a better discharge performance and peak power density than Pt/C in the ZABs.
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