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Ecologically Sustainable N-doped Graphene Nanosheets as High-Performance Electrodes for Zinc–Air Batteries and Zinc-Ion Supercapacitors
ACS Applied Electronic Materials ( IF 4.3 ) Pub Date : 2024-02-18 , DOI: 10.1021/acsaelm.3c01486 Gouri Sankar Das 1 , Kumud Malika Tripathi 1
ACS Applied Electronic Materials ( IF 4.3 ) Pub Date : 2024-02-18 , DOI: 10.1021/acsaelm.3c01486 Gouri Sankar Das 1 , Kumud Malika Tripathi 1
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The development of low-cost, green, durable, and high-performance electrocatalysts that accelerate the sluggish kinetics of the oxygen evolution and reduction reactions in metal–air batteries is a subject of intense research. Multifunctional nitrogen-doped graphene nanosheets (N-GNS) with impressive electrochemical performance for applications in rechargeable Zn–air batteries (ZABs) and Zn-ion supercapacitors (ZISCs) have been synthesized by a scalable facile pyrolysis method using chickpea as the raw material. Benefiting from the structural functionalities, synergistic effect between N-doping and oxygenated functional groups, high electrical conductivity, and availability of high density of catalytically active sites for ion reactions, the resultant N-GNS exhibited enhanced kinetics for the oxygen evolution/reduction reactions and high electrochemical performance. The rechargeable ZABs with N-GNS-based air cathode exhibited excellent cycling stability of 100 h@10 mA cm–2 discharge current and a comparable open circuit voltage (1.43 V) and provided a peak power density of 96 mW cm–2. Moreover, the electrocatalytic performance of N-GNS was almost similar to that of expensive platinum for stable open circuit voltage. In addition, the N-GNS cathode in ZISCs delivered a specific capacitance of 291 F g–1 at 0.1 A g–1 current density. The capacity retention in hybrid devices was 86% with 100% Coulombic efficiency after 10,000 charge–discharge cycles at 10 A g–1. N-GNS acts as a dual-functional electrode in Zn–air batteries and Zn-ion supercapacitors, providing opportunities for green power sources, especially for portable electronics.
中文翻译：
生态可持续的氮掺杂石墨烯纳米片作为锌空气电池和锌离子超级电容器的高性能电极
开发低成本、绿色、耐用和高性能的电催化剂来加速金属空气电池中缓慢的析氧和还原反应动力学是一个深入研究的课题。以鹰嘴豆为原料，通过可扩展的简易热解方法合成了具有令人印象深刻的电化学性能的多功能氮掺杂石墨烯纳米片（N-GNS），可用于可充电锌空气电池（ZAB）和锌离子超级电容器（ZISC）。受益于结构功能、N掺杂和含氧官能团之间的协同效应、高电导率以及离子反应的高密度催化活性位点的可用性，所得的N-GNS表现出增强的析氧/还原反应动力学和高电化学性能。具有基于N-GNS的空气阴极的可充电ZAB表现出优异的100小时@10 mA cm –2放电电流的循环稳定性和相当的开路电压（1.43 V），并提供96 mW cm –2的峰值功率密度。此外，N-GNS的电催化性能几乎与昂贵的铂相似，具有稳定的开路电压。此外，ZISC 中的 N-GNS 阴极在 0.1 A g –1电流密度下的比电容为 291 F g –1。在 10 A g –1下进行 10,000 次充放电循环后，混合器件的容量保持率为 86%，库仑效率为 100% 。N-GNS 在锌空气电池和锌离子超级电容器中充当双功能电极，为绿色电源，特别是便携式电子产品提供了机会。
更新日期：2024-02-18
中文翻译：
生态可持续的氮掺杂石墨烯纳米片作为锌空气电池和锌离子超级电容器的高性能电极
开发低成本、绿色、耐用和高性能的电催化剂来加速金属空气电池中缓慢的析氧和还原反应动力学是一个深入研究的课题。以鹰嘴豆为原料，通过可扩展的简易热解方法合成了具有令人印象深刻的电化学性能的多功能氮掺杂石墨烯纳米片（N-GNS），可用于可充电锌空气电池（ZAB）和锌离子超级电容器（ZISC）。受益于结构功能、N掺杂和含氧官能团之间的协同效应、高电导率以及离子反应的高密度催化活性位点的可用性，所得的N-GNS表现出增强的析氧/还原反应动力学和高电化学性能。具有基于N-GNS的空气阴极的可充电ZAB表现出优异的100小时@10 mA cm –2放电电流的循环稳定性和相当的开路电压（1.43 V），并提供96 mW cm –2的峰值功率密度。此外，N-GNS的电催化性能几乎与昂贵的铂相似，具有稳定的开路电压。此外，ZISC 中的 N-GNS 阴极在 0.1 A g –1电流密度下的比电容为 291 F g –1。在 10 A g –1下进行 10,000 次充放电循环后，混合器件的容量保持率为 86%，库仑效率为 100% 。N-GNS 在锌空气电池和锌离子超级电容器中充当双功能电极，为绿色电源，特别是便携式电子产品提供了机会。
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