Bulk preparation of free‐standing single‐iron‐atom catalysts directly as the air electrodes for high‐performance zinc‐air batteries

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作者
Hongbo Zhang,Yu Meng,Hong Zhong,Lili Zhang,Shichao Ding,Lingzhe Fang,Tao Li,Yi Mei,Peng‐Xiang Hou,Chang Liu,Scott P. Beckman,Yuehe Lin,Hui‐Ming Cheng,Jincheng Li
出处
期刊:Carbon energy [Wiley]
卷期号:5 (5) 被引量:21
标识
DOI:10.1002/cey2.289
摘要

Abstract The keen interest in fuel cells and metal‐air batteries stimulates a great deal of research on the development of a cost‐efficient and high‐performance catalyst as an alternative to traditional Pt to boost the sluggish oxygen reduction reaction (ORR) at the cathode. Herein, we report a facile and scalable strategy for the large‐scale preparation of a free‐standing and flexible porous atomically dispersed Fe–N‐doped carbon microtube (FeSAC/PCMT) sponge. Benefiting from its unique structure that greatly facilitates the catalytic kinetics, mass transport, and electron transfer, our FeSAC/PCMT electrode exhibits excellent performance with an ORR potential of 0.942 V at −3 mA cm −2 . When the FeSAC/PCMT sponge was directly used as an oxygen electrode for liquid‐state and flexible solid‐state zinc‐air batteries, high peak power densities of 183.1 and 58.0 mW cm −2 were respectively achieved, better than its powdery counterpart and commercial Pt/C catalyst. Experimental and theoretical investigation results demonstrate that such ultrahigh ORR performance can be attributed to atomically dispersed Fe–N 5 species in FeSAC/PCMT. This study presents a cost‐effective and scalable strategy for the fabrication of highly efficient and flexible oxygen electrodes, provides a significant new insight into the catalytic mechanisms, and helps to realize significant advances in energy devices.
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