Non‐Noble‐Metal Catalyst and Zn/Graphene Film for Low‐Cost and Ultra‐Long‐Durability Solid‐State Zn‐Air Batteries in Harsh Electrolytes

材料科学 贵金属 石墨烯 催化作用 电解质 电化学 量子点 纳米颗粒 金属 纳米技术 化学工程 冶金 无机化学 电极 化学 生物化学 工程类 物理化学
作者
Xinxin Yang,Xuchao Zheng,Huanxin Li,Bingcheng Luo,Yongkang He,Yong Yao,Haihui Zhou,Zhanheng Yan,Yafei Kuang,Zhongyuan Huang
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:32 (31) 被引量:73
标识
DOI:10.1002/adfm.202200397
摘要

Abstract Exploration and development of cost‐effective, ultra‐long durability, and high‐performing non‐noble‐metal catalysts for the oxygen reduction reaction (ORR) to replace Pt‐based catalysts for electrochemical energy conversion devices is still of great challenge. Although several types of non‐noble‐metal catalysts (N‐doped graphene, transition metal nanoparticles, single atomic metal‐nitrogen‐carbon, etc.) are claimed to have comparable or overwhelming catalytic performances compared with commercial Pt/C, their long‐durability, especially in harsh electrolytes, are still unsatisfactory for practical applications. Herein, the classical Fe 3 C‐NG catalysts are synthesized and investigated to understand the catalytic and degradation behaviors in Zn‐Air batteries. Experimental analysis and theoretical calculations reveal that the Mott–Schottky heterojunction formed by Fe 3 C quantum dots (QDs) and N‐doped graphene carbon (Fe 3 C‐NG) boosts the ORR, since the Fe 3 C quantum dots provide rapid electron transfer to the valence band of NG. Molecular dynamic simulation suggests that the graphene structure in NG is relatively stable in extremely corrosive electrolyte, which avoids the corrosion of Fe 3 C quantum dots. In combination of the Zn/graphene composite film and solid‐state electrolyte, the optimized Zn‐air battery with Fe 3 C‐NG catalyst delivers a high open circuit voltage of 1.506 V, high energy density of 706.4 Wh kg –1 , and long‐term stability for 1000 h.
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