Intrinsic Properties Affecting the Catalytic Activity toward Oxygen Reduction Reaction of Nanostructured Transition Metal Nitrides as Catalysts for Hybrid Na-Air Batteries

催化作用 氧还原反应 氮化物 材料科学 氧气 过渡金属 化学工程 金属 无机化学 纳米技术 化学 冶金 图层(电子) 物理化学 有机化学 电化学 电极 工程类
作者
Da Zhang,Kaiwen Zhang,Zhipeng Xie,Bowen Xu,Minjie Hou,Yong Lei,Takayuki Watanabe,Bin Yang,Feng Liang
出处
期刊:Materials [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:16 (23): 7469-7469 被引量:3
标识
DOI:10.3390/ma16237469
摘要

Nanostructured transition metal nitrides (TMNs) have been considered as a promising substitute for precious metal catalysts toward ORR due to their multi-electron orbitals, metallic properties, and low cost. To design TMN catalysts with high catalytic activity toward ORR, the intrinsic features of the influencing factor on the catalytic activity toward ORR of nanostructured TMNs need to be investigated. In this paper, titanium nitride (TiN), zirconium nitride (ZrN), and hafnium nitride (HfN) nanoparticles (NPs) are highly efficient and synthesized in one step by the direct current arc plasma. TiN, ZrN, and HfN NPs with an oxidation layer are applied as the catalysts of hybrid sodium-air batteries (HSABs). The effect of the composition and structural attributes of TMNs on ORR catalysis is defined as follows: (i) composition effect. With the increase in the oxygen content, the catalytic ORR capability of TMNs decreases progressively due to the reduction in oxygen adsorption capacity; (ii) structure effect. The redistribution of the density of states (DOS) of ZrN indicates higher ORR activity than TiN and HfN. HSABs with ZrN exhibit an excellent cyclic stability up to 137 cycles (about 140 h), an outstanding rate performance, and a specific capacity of 2817 mAh·g-1 at 1.0 mA·cm-2.
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