Three-Dimensionally Ordered Mesoporous Co3o4 Decorated with Mg as Bifunctional Oxygen Electrocatalysts for High-Performance Zinc-Air Batteries

双功能 介孔材料 析氧 材料科学 氧气 纳米技术 化学工程 无机化学 冶金 化学 电极 催化作用 电化学 工程类 有机化学 物理化学
作者
Yatian Zhang,Zhen Zhang,Gaopeng Jiang,Alireza Haghighat Mamaghani,Serubbabel Sy,Rui Gao,Yi Jiang,Ya‐Ping Deng,Zhengyu Bai,Lin Yang,Aiping Yu,Zhongwei Chen
出处
期刊:Social Science Research Network [Social Science Electronic Publishing]
标识
DOI:10.2139/ssrn.4079505
摘要

Developing low-cost and high-efficiency bifunctional catalysts for both oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER) is critical to expedite the widespread implementation of rechargeable zinc-air batteries. Herein, a unique Mg-decorated three-dimensionally ordered mesoporous (3DOM) Co 3 O 4 electrocatalyst is engineered and evaluated as cathodic material for zinc-air batteries. The modulation of electronic structure and bonding configuration of Co sites through coordination with substituted Mg atoms effectively enhance the interaction with oxygen species and, therefore, the ORR/OER activity. Meanwhile, the substitution of Co 2+ with Mg 2+ creates abundant, more catalytically active octahedral sites (Co 3+ ) in 3DOM-Mg x Co 3-x O 4 . Moreover, the tailored 3D interpenetrating porous structure endows the electrocatalyst with large diffusion channels for oxygen species and highly accessible active sites. The as-prepared catalyst retains 99% and 98% of its initial ORR and OER current, respectively, after 16 h under chronoamperometric measurement. The zinc-air battery assembled with 3DOM-Mg x Co 3-x O 4 exhibits a high power density of 253 mW cm −2 and long-term cyclability over 236 h, outperforming the commercial noble-metal based catalysts in terms of performance and stability. This work offers a straightforward and promising design strategy for development of robust bifunctional electrocatalysts toward practical applications of zinc-air batteries.
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