Atomic Fe-Zn dual-metal sites for high-efficiency pH-universal oxygen reduction catalysis

电催化剂 催化作用 金属 化学 化学工程 无机化学 氧还原反应 材料科学 纳米技术 物理化学 有机化学 电极 电化学 工程类
作者
Jie Xu,Shuhua Lai,Defeng Qi,Min Hu,Xianyun Peng,Yifan Liu,Wei Liu,Guangzhi Hu,Heng Xu,Fan Li,Chao Li,Jia He,Longchao Zhuo,Jiaqiang Sun,Yuan Qiu,Shusheng Zhang,Jun Luo,Xijun Liu
出处
期刊:Nano Research [Springer Nature]
卷期号:14 (5): 1374-1381 被引量:194
标识
DOI:10.1007/s12274-020-3186-x
摘要

An effective electrocatalyst being highly active in all pH range for oxygen reduction reaction (ORR) is crucial for energy conversion and storage devices. However, most of the high-efficiency ORR catalysis was reported in alkaline conditions. Herein, we demonstrated the preparation of atomically dispersed Fe-Zn pairs anchored on porous N-doped carbon frameworks (Fe-Zn-SA/NC), which works efficiently as ORR catalyst in the whole pH range. It achieves high half-wave potentials of 0.78, 0.85 and 0.72 V in 0.1 M HClO4, 0.1 M KOH and 0.1 M phosphate buffer saline (PBS) solutions, respectively, as well as respectable stability. The performances are even comparable to Pt/C. Furthermore, when assembled into a Zn-air battery, the high power density of 167.2 mWcm−2 and 120 h durability reveal the feasibility of Fe-Zn-SA/NC in real energy-related devices. Theoretical calculations demonstrate that the superior catalytic activity of Fe-Zn-SA/NC can be contributed to the lower energy barriers of ORR at the Fe-Zn-N6 centers. This work demonstrates the potential of Fe-Zn pairs as alternatives to the Pt catalysts for efficient catalytic ORR and provides new insights of dual-atom catalysts for other energy conversion related catalytic reactions.
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