Zn-Air電池の酸素電気触媒用の窒素ドープ炭素のエッジ欠陥エンジニアリング

金属を含まない二機能性酸素電気触媒は、高エネルギー金属空気電池などの高度なエネルギー変換デバイスにとって非常に重要です。単純な方法による炭素材料のエッジ欠陥と電子密度の効果的な調整は、特に魅力的です。この作業では、大きな特定の表面積と最適化された多孔性を備えた炭素を調製するために、容易なアルカリ活性化法が提案されています。さらに、その後の窒素ドーピングは、高いピリジニックNおよびグラフィット-N含有量と豊富なエッジ欠陥につながり、さらに電気化学的活動を強化します。電気触媒活性をNドーピングおよびエッジ欠陥エンジニアリングの基本化学構造と相関させるために、第一原理計算による理論モデリングが実施されました。金属を含まない製品（NKCNPS-900）は、0.79 V（ORR）の半波のポテンシャルを示しています。さらに、組み立てられたZn-Airバッテリーは、最大131.4 mW cm-2までの大きなピーク電力密度、889.0 w h kg-1までのエネルギー密度4.5 ma cm cmなど、炭素ベースの金属を含まない酸素電子触媒の間で優れた性能を示します。-2、および顕著な放電充電サイクルは最大575回です。予備的に、充電式の非水液液電池も調査されました。したがって、私たちの作業は、金属空気電池のための低コスト、金属のない、高性能の二分炭素ベースの電気触媒を提供します。

Metal-free bifunctional oxygen electrocatalysts are extremely critical to the advanced energy conversion devices, such as high energy metal-air batteries. Effective tuning of edge defects and electronic density on carbon materials via simple methods is especially attractive. In this work, a facile alkali activation method has been proposed to prepare carbon with large specific surface area and optimized porosity. In addition, subsequent nitrogen-doping leads to high pyridinic-N and graphitic-N contents and abundant edge defects, further enhancing electrochemical activities. Theoretical modeling via first-principles calculations has been conducted to correlate the electrocatalytic activities with their fundamental chemical structure of N doping and edge defect engineering. The metal-free product (NKCNPs-900) shows a high half-wave potential of 0.79 V (ORR). Furthermore, the assembled Zn-air batteries display excellent performance among carbon-based metal-free oxygen electrocatalysts, such as large peak power density up to 131.4 mW cm-2, energy density as high as 889.0 W h kg-1 at 4.5 mA cm-2, and remarkable discharge-charge cycles up to 575 times. Preliminarily, the rechargeable nonaqueous Li-air batteries were also investigated. Therefore, our work provides a low-cost, metal-free, and high-performance bifunctional carbon-based electrocatalyst for metal-air batteries.