Molten‐Salt‐Assisted Synthesis of 3D Holey N‐Doped Graphene as Bifunctional Electrocatalysts for Rechargeable Zn–Air Batteries

双功能 析氧 材料科学 石墨烯 化学工程 催化作用 兴奋剂 电催化剂 纳米技术 无机化学 电化学 化学 电极 物理化学 有机化学 光电子学 工程类
作者
Huijuan Cui,Menggai Jiao,Yanan Chen,Yibo Guo,Leping Yang,Zhao‐Jun Xie,Zhen Zhou,Shaojun Guo
出处
期刊:Small methods [Wiley]
卷期号:2 (10) 被引量:85
标识
DOI:10.1002/smtd.201800144
摘要

Abstract Development of efficient bifunctional oxygen electrocatalysts is urgently needed for high‐performance rechargeable Zn–air batteries. However, sluggish oxygen reduction reaction/oxygen evolution reaction (ORR/OER) kinetics and poor mass transport are two key issues that hinder the performance of Zn–air batteries. Herein, a facile strategy is reported to prepare 3D holey N‐doped graphene (3D HNG) with the aid of molten salts for boosting the performance of ORR/OER‐driven Zn–air batteries. The as‐prepared HNG shows a hierarchical porous framework structure with a 1:1 ratio of pyridinic to graphitic N. Owing to the matched N catalytic active sites and the special pore structure, 3D HNG displays super bifunctional electrocatalytic activity toward both ORR and OER. Specifically, rechargeable Zn–air batteries fabricated with this electrocatalyst show excellent discharge capacity, rechargeability, and round‐trip efficiency. Density functional theory (DFT) computations further reveal that armchair–graphitic N and zigzag–pyridinic N are more favorable for ORR and OER, respectively. By combining these two components, the mixed structure displays the lowest overpotentials of 0.47 and 0.36 V for ORR and OER, respectively, comparable to the theoretical values of Pt and RuO 2 . This work provides a new strategy for optimizing N‐doped carbon materials for bifunctional oxygen electrocatalysts.
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