Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Chất xúc tác Mn-Co tương quan vượt trội hơn Pt trong phản ứng khử oxy của pin zinc-air bán rắn
Nano Research - Trang 1-7 - 2023
Tóm tắt
Pin zinc-air (ZABs) như một loại thiết bị lưu trữ năng lượng hứa hẹn thường được cung cấp bởi các chất xúc tác hiệu quả và mạnh mẽ ở cực âm liên quan đến oxy. Mặc dù các chất xúc tác phi quý hiện có đã vượt trội hơn tiêu chuẩn Pt quý trong pin ZABs trạng thái lỏng kiềm, theo hiểu biết của chúng tôi, rất ít loại đã vượt qua Pt trong pin ZABs bán rắn (QSS). Tại đây, chúng tôi đã tìm thấy rằng một cực âm Mn-Co tích hợp được tạo ra từ các khung hữu cơ kim loại bimetallic Mn/Co tạo ra mật độ công suất cao hơn 1.4 lần trong pin ZABs QSS so với cực âm Pt, trong khi mật độ công suất của nó trong pin ZABs trạng thái lỏng chỉ đạt 0.8 lần của cực âm thứ hai. Hơn nữa, chất xúc tác Mn-Co này cung cấp khả năng phản ứng khử oxy (ORR) với tốc độ cao với tiềm năng nửa sóng đạt 0.84 V. Các phân tích và đặc trưng sâu sắc đã chứng minh rằng các loại nguyên tố Co và Mn có sự ưa thích cụ thể đối với H2O và O2, tương trợ cho quá trình ORR trong môi trường thiếu nước của pin ZABs QSS. Công trình này đã làm sáng tỏ việc thiết kế hợp lý các chất xúc tác kim loại không quý để cải thiện mật độ công suất của pin ZABs QSS.
Từ khóa
#pin zinc-air #chất xúc tác phi quý #phản ứng khử oxy #mật độ công suất #môi trường thiếu nướcTài liệu tham khảo
Sun, W.; Wang, F.; Zhang, B.; Zhang, M. Y.; Küpers, V.; Ji, X.; Theile, C.; Bieker, P.; Xu, K.; Wang, C. S. et al. A rechargeable zinc-air battery based on zinc peroxide chemistry. Science 2021, 371, 46–51.
Lyu, Z.; Koh, J. J.; Lim, G. J. H.; Zhang, D. W.; Xiong, T.; Zhang, L.; Liu, S. Q.; Duan, J. F.; Ding, J.; Wang, J. et al. Direct ink writing of programmable functional silicone-based composites for 4D printing applications. Interdiscip. Mater. 2022, 1, 507–516.
Zhou, T. P.; Xu, W. F.; Zhang, N.; Du, Z. Y.; Zhong, C. G.; Yan, W. S.; Ju, H. X.; Chu, W. S.; Jiang, H.; Wu, C. Z. et al. Ultrathin cobalt oxide layers as electrocatalysts for high-performance flexible Zn-air batteries. Adv. Mater. 2019, 31, 1807468.
Zhang, L.; Zhu, J. W.; Li, X.; Mu, S. C.; Verpoort, F.; Xue, J. M.; Kou, Z. K.; Wang, J. Nurturing the marriages of single atoms with atomic clusters and nanoparticles for better heterogeneous electrocatalysis. Interdiscip. Mater. 2022, 1, 51–87.
Chen, M. X.; Zhu, M. Z.; Zuo, M.; Chu, S. Q.; Zhang, J.; Wu, Y. E.; Liang, H. W.; Feng, X. L. Identification of catalytic sites for oxygen reduction in metal/nitrogen-doped carbons with encapsulated metal nanoparticles. Angew. Chem., Int. Ed. 2020, 59, 1627–1633.
Paul, R.; Zhai, Q. F.; Roy, A. K.; Dai, L. M. Charge transfer of carbon nanomaterials for efficient metal-free electrocatalysis. Interdiscip. Mater. 2022, 1, 28–50
Yang, Q.; Jia, Y.; Wei, F. F.; Zhuang, L. Z.; Yang, D. J.; Liu, J. Z.; Wang, X.; Lin, S.; Yuan, P.; Yao, X. D. Understanding the activity of Co−N4−xCx in atomic metal catalysts for oxygen reduction catalysis. Angew. Chem., Int. Ed. 2020, 59, 6122–6127.
Zhao, M. Q.; Liu, H. R.; Zhang, H. W.; Chen, W.; Sun, H. Q.; Wang, Z. H.; Zhang, B.; Song, L.; Yang, Y.; Ma, C. et al. A pH-universal ORR catalyst with single-atom iron sites derived from a double-layer MOF for superior flexible quasi-solid-state rechargeable Zn-air batteries. Energy Environ. Sci. 2021, 14, 6455–6463.
Sun, H. Q.; Zhao, M. Q.; Ma, C.; Chen, W.; Yang, Y.; Han, Y. H. Construction of ultra-stable NiFe armored catalyst for liquid and flexible quasi-solid-state rechargeable Zn-air batteries. Nano Res. 2023, 16, 4980–4986.
Xu, Z. A.; Zhu, J.; Shao, J. Z.; Xia, Y.; Tseng, J.; Jiao, C. L.; Ren, G. Y.; Liu, P. F.; Li, G. S.; Chen, R. X. et al. Atomically dispersed cobalt in core–shell carbon nanofiber membranes as super-flexible freestanding air-electrodes for wearable Zn-air batteries. Energy Storage Mater. 2022, 47, 365–375.
Pan, J.; Xu, Y. Y.; Yang, H.; Dong, Z. H.; Liu, H. F.; Xia, B. Y. Advanced architectures and relatives of air electrodes in Zn-air batteries. Adv. Sci. 2018, 5, 1700691.
Han, J. X.; Meng, X. Y.; Lu, L.; Bian, J. J.; Li, Z. P.; Sun, C. W. Single-atom Fe−Nx−C as an efficient electrocatalyst for zinc-air batteries. Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1808872.
Zhou, C. H.; Chen, X.; Liu, S.; Han, Y.; Meng, H. B.; Jiang, Q. Y.; Zhao, S. M.; Wei, F.; Sun, J.; Tan, T. et al. Superdurable bifunctional oxygen electrocatalyst for high-performance zinc-air batteries. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 2694–2704.
Lazaridis, T.; Stühmeier, B. M.; Gasteiger, H. A.; El-Sayed, H. A. Capabilities and limitations of rotating disk electrodes versus membrane electrode assemblies in the investigation of electrocatalysts. Nat. Catal. 2022, 5, 363–373.
Ma, Q. L.; Mu, S. C. Acidic oxygen evolution reaction: Mechanism, catalyst classification, and enhancement strategies. Interdiscip. Mater. 2023, 2, 53–90
Zheng, X. R.; Cao, Y. H.; Wang, H. Z.; Zhang, J. F.; Zhao, M. H.; Huang, Z.; Wang, Y.; Zhang, L.; Deng, Y. D.; Hu, W. B. et al. Designing breathing air-electrode and enhancing the oxygen electrocatalysis by thermoelectric effect for efficient Zn-air batteries. Angew. Chem., Int. Ed. 2023, 62, e202302689.
Li, Y. G.; Dai, H. J. Recent advances in zinc-air batteries. Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 5257–5275.
Wang, Y.; Yang, Y.; Jia, S. F.; Wang, X. M.; Lyu, K. J.; Peng, Y. Q.; Zheng, H.; Wei, X.; Ren, H.; Xiao, L. et al. Synergistic Mn−Co catalyst outperforms Pt on high-rate oxygen reduction for alkaline polymer electrolyte fuel cells. Nat. Commun. 2019, 10, 1506.
Sun, S.; Yu, H. R.; Li, L. L.; Yu, X. F.; Zhang, X. H.; Lu, Z. M.; Yang, X. J. Sodium borohydride treatment to prepare manganese oxides with oxygen vacancy defects for efficient oxygen reduction. Metals 2022, 12, 1059.
Guo, D. H.; Shibuya, R.; Akiba, C.; Saji, S.; Kondo, T.; Nakamura, J. J. Active sites of nitrogen-doped carbon materials for oxygen reduction reaction clarified using model catalysts. Science 2016, 351, 361–365.
Xu, J. S.; Li, R.; Xu, C. Q.; Zeng, R. G.; Jiang, Z.; Mei, B. B.; Li, J.; Meng, D. Q.; Chen, J. Underpotential-deposition synthesis and inline electrochemical analysis of single-atom copper electrocatalysts. Appl. Catal. B: Environ. 2021, 289, 120028.
Kimoto, K.; Asaka, T.; Nagai, T.; Saito, M.; Matsui, Y.; Ishizuka, K. Element-selective imaging of atomic columns in a crystal using STEM and EELS. Nature 2007, 450, 702–704.
Liu, M. R.; Hong, Q. L.; Li, Q. H.; Du, Y. H.; Zhang, H. X.; Chen, S. M.; Zhou, T. H.; Zhang, J. Cobalt boron imidazolate framework derived cobalt nanoparticles encapsulated in B/N codoped nanocarbon as efficient bifunctional electrocatalysts for overall water splitting. Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1801136.
Zhang, M. D.; Dai, Q. B.; Zheng, H. G.; Chen, M. D.; Dai, L. M. Novel MOF-derived Co@N−C bifunctional catalysts for highly efficient Zn-air batteries and water splitting. Adv. Mater. 2018, 30, 1705431.
Wu, L. P.; Li, B.; Li, Y.; Fan, X. B.; Zhang, F. B.; Zhang, G. L.; Xia, Q.; Peng, W. C. Preferential growth of the cobalt (200) facet in Co@N−C for enhanced performance in a Fenton-like reaction. ACS Catal. 2021, 11, 5532–5543.
Fernandes, C.; Pereira, C.; Fernández-García, M. P.; Pereira, A. M.; Guedes, A.; Fernández-Pacheco, R. F.; Ibarra, A.; Ibarra, M. R.; Araújo, J. P.; Freire, C. Tailored design of CoxMn1−xFe2O4 nanoferrites: A new route for dual control of size and magnetic properties. J. Mater. Chem. C 2014, 2, 5818–5828.
Kou, Z. K.; Meng, T.; Guo, B. B.; Amiinu, I. S.; Li, W. Q.; Zhang, J.; Mu, S. C. A generic conversion strategy: From 2D metal carbides (MxCy) to M-self-doped graphene toward high-efficiency energy applications. Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1604904.
Saka, C. Oxygen and nitrogen-doped metal-free microalgae carbon nanoparticles for efficient hydrogen production from sodium borohydride in methanol. Int. J. Hydrogen Energy 2021, 46, 26298–26307.
Yuan, K.; Sfaelou, S.; Qiu, M.; Lützenkirchen-Hecht, D.; Zhuang, X. D.; Chen, Y. W.; Yuan, C.; Feng, X. L.; Scherf, U. Synergetic contribution of boron and Fe−Nx species in porous carbons toward efficient electrocatalysts for oxygen reduction reaction. ACS Energy Lett. 2018, 3, 252–260.
Xie, Z. Z.; Shang, X. H.; Yang, J. M.; Hu, B.; Nie, P. F.; Jiang, W. W.; Liu, J. Y. 3D interconnected boron- and nitrogen-codoped carbon nanosheets decorated with manganese oxides for high-performance capacitive deionization. Carbon 2020, 158, 184–192
Zhao, Y.; Yang, L. J.; Chen, S.; Wang, X. Z.; Ma, Y. W.; Wu, Q.; Jiang, Y. F.; Qian, W. J.; Hu, Z. Can boron and nitrogen Co-doping improve oxygen reduction reaction activity of carbon nanotubes. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 1201–1204.
Zhao, R. P.; Chen, J. Y.; Chen, Z. J.; Jiang, X.; Fu, G. T.; Tang, Y. W.; Jin, W.; Lee, J. M.; Huang, S. M. Atomically dispersed CoN4/B, N-C nanotubes boost oxygen reduction in rechargeable Zn-air batteries. ACS Appl. Energy Mater. 2020, 3, 4539–4548.
He, W. H.; Jiang, C. H.; Wang, J. B.; Lu, L. H. High-rate oxygen electroreduction over graphitic-N species exposed on 3D hierarchically porous nitrogen-doped carbons. Angew. Chem., Int. Ed. 2014, 53, 9503–9507.
Yu, P.; Wang, L.; Sun, F. F.; Xie, Y.; Liu, X.; Ma, J. Y.; Wang, X. W.; Tian, C. G.; Li, J. H.; Fu, H. G. Co nanoislands rooted on Co−N−C nanosheets as efficient oxygen electrocatalyst for Zn-air batteries. Adv. Mater. 2019, 31, 1901666.
Zeng, M.; Liu, Y. L.; Zhao, F. P.; Nie, K. Q.; Han, N.; Wang, X. X.; Huang, W. J.; Song, X. N.; Zhong, J.; Li, Y. G. Metallic cobalt nanoparticles encapsulated in nitrogen-enriched graphene shells: Its bifunctional electrocatalysis and application in zinc-air batteries. Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 4397–4404.
Liu, Z. J.; Zhao, Z. H.; Wang, Y. Y.; Dou, S.; Yan, D. F.; Liu, D. D.; Xia, Z. H.; Wang, S. Y. In situ exfoliated, edge-rich, oxygen-functionalized graphene from carbon fibers for oxygen electrocatalysis. Adv. Mater. 2017, 29, 1606207
Kurbatov, G.; Darque-Ceretti, E.; Aucouturier, M. Characterization of hydroxylated oxide film on iron surfaces and its acid-base properties using XPS. Surf. Interface Anal. 1992, 18, 811–820.
Kang, D.; Rahimi, N.; Gordon, M. J.; Metiu, H.; McFarland, E. W. Catalytic methane pyrolysis in molten MnCl2−KCl. Appl. Catal. B: Environ. 2019, 254, 659–666.
Andreev, A. S.; Kazakova, M. A.; Ishchenko, A. V.; Selyutin, A. G.; Lapina, O. B.; Kuznetsov, V. L.; De Lacaillerie, J. B. D. Magnetic and dielectric properties of carbon nanotubes with embedded cobalt nanoparticles. Carbon 2017, 114, 39–49.
Zhang, W. M.; Yao, X. Y.; Zhou, S. N.; Li, X. W.; Li, L.; Yu, Z.; Gu, L. ZIF-8/ZIF-67-derived Co−Nx-embedded 1D porous carbon nanofibers with graphitic carbon-encased Co nanoparticles as an efficient bifunctional electrocatalyst. Small 2018, 14, 1800423.
Zhou, Q. Y.; Cai, J. J.; Zhang, Z.; Gao, R.; Chen, B.; Wen, G. B.; Zhao, L.; Deng, Y. P.; Dou, H. Z.; Gong, X. F. et al. A gas-phase migration strategy to synthesize atomically dispersed Mn−N−C catalysts for Zn-air batteries. Small Methods 2021, 5, 2100024.
Jiang, H.; Gu, J. X.; Zheng, X. S.; Liu, M.; Qiu, X. Q.; Wang, L. B.; Li, W. Z.; Chen, Z. F.; Ji, X. B.; Li, J. Defect-rich and ultrathin N doped carbon nanosheets as advanced trifunctional metal-free electrocatalysts for the ORR, OER and HER. Energy Environ. Sci. 2019, 12, 322–333.