Lewis Acid Site Assisted Bifunctional Activity of Tin Doped Gallium Oxide and Its Application in Rechargeable Zn‐Air Batteries

双功能 催化作用 材料科学 阴极 化学工程 兴奋剂 电池(电) 无机化学 氧化物 纳米技术 化学 光电子学 物理化学 冶金 有机化学 功率(物理) 工程类 物理 量子力学
作者
Aruna N. Nair,Mohamed Fathi Sanad,Rahul Jayan,G. Gutiérrez-Alcaraz,Yulu Ge,Md Mahbubul Islam,José Á. Hernández-Viezcas,Vishal Zade,Shalini Tripathi,V. Shutthanandan,C.V. Ramana,Sreeprasad T. Sreenivasan
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:18 (34) 被引量:13
标识
DOI:10.1002/smll.202202648
摘要

The enhanced safety, superior energy, and power density of rechargeable metal-air batteries make them ideal energy storage systems for application in energy grids and electric vehicles. However, the absence of a cost-effective and stable bifunctional catalyst that can replace expensive platinum (Pt)-based catalyst to promote oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER) at the air cathode hinders their broader adaptation. Here, it is demonstrated that Tin (Sn) doped β-gallium oxide (β-Ga2 O3 ) in the bulk form can efficiently catalyze ORR and OER and, hence, be applied as the cathode in Zn-air batteries. The Sn-doped β-Ga2 O3 sample with 15% Sn (Snx=0.15 -Ga2 O3 ) displayed exceptional catalytic activity for a bulk, non-noble metal-based catalyst. When used as a cathode, the excellent electrocatalytic bifunctional activity of Snx=0.15 -Ga2 O3 leads to a prototype Zn-air battery with a high-power density of 138 mW cm-2 and improved cycling stability compared to devices with benchmark Pt-based cathode. The combined experimental and theoretical exploration revealed that the Lewis acid sites in β-Ga2 O3 aid in regulating the electron density distribution on the Sn-doped sites, optimize the adsorption energies of reaction intermediates, and facilitate the formation of critical reaction intermediate (O*), leading to enhanced electrocatalytic activity.
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