國防科技大學JMCA: “結構-活性位”雙功能氧電極催化劑及其可逆鋅-空氣電池

【引言】

可逆鋅-空電池安全、環保，具有高的理論能量密度（1086 Wh kg^-1）及低成本等優點，但在電池充放電過程中，氧還原反應（ORR）和析氧反應（OER）通常需要在較高的過電位進行，其緩慢的動力學過程嚴重制約了鋅-空電池的能量轉化效率。貴金屬Pt和Ir/Ru基催化劑是目前催化ORR、OER反應最好的材料，但是高昂的成本限制了其大規模應用。此外，O₂在電解液中的溶解度很低（10^-4 mol L^-1 in 6 M KOH），強化O₂的傳質有助于提高催化活性。因此，設計一種廉價、高效ORR/OER的雙功能催化劑成為可逆鋅-空電池研究的重要內容之一。

【成果簡介】

針對上述問題，國防科技大學雷永鵬、王應德和福建物質結構研究所王要兵研究員等以氧化石墨烯為原料，利用熱處理過程中金屬催化原位生長碳納米管原位形成Fe-N_x、Fe@C結構，構建三維石墨烯/碳納米管復合物。一方面，Fe-N_x作為催化活性位，接受來自 Fe@C 注入的熱電子，ORR/OER活性得到大幅提升；另一方面，NG/NCNTs復合結構有利于電子轉移和傳質。Fe@C-NG/NCNTs 在堿性條件下表現出優異的雙功能ORR/OER活性，作為氧電極組裝的鋅-空電池表現出與Pt/C+IrC催化劑相當的活性。其研究成果發表在Journal of Materials Chemistry A上（Fe/Fe₃C@C Nanoparticles Encapsulated in N-Doped Graphene-CNTs Framework as An Efficient Bifunctional Oxygen Electrocatalyst for Robust Rechargeable Zn-air Batteries）。

【圖文導讀】

圖1 Fe@C-NG/NCNTs的（a）SEM圖；（b，c）TEM圖；（d，e）HRTEM圖；（f）Fe@C示意圖；（g）HAADF-STEM圖和Mapping圖

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圖2 Fe@C-NG/NCNTs的（a）XPS全譜；（b） 高倍N 1s窄譜；（c）高倍Fe 2p 窄譜；（d）⁵⁷Fe的穆斯堡爾譜；（e）Fe K-edge的XANES譜；（f）Fe K-edge的EXAFS譜

圖3（a）Fe@C-NG/NCNTs和Pt/C的LSV圖；（b）Fe@C-NG/NCNTs在不同轉速下的LSV圖，插圖為K-L曲線；（c）Fe@C-NG/NCNTs，RuO₂/C，Pt/C和GC的（a）LSV圖；（d）Fe@C-NG/NCNTs和Pt/C的雙功能ORR/OER極化曲線

圖4（a）Fe@C-NG/NCNTs和Pt/C+Ir/C組裝電池的放電曲線和對應的功率密度曲線；（b） Fe@C-NG/NCNTs在10 mA cm^-2條件下的恒流放電平臺，插圖為點燈照片；（c）Fe@C-NG/NCNTs和Pt/C+Ir/C電極在10 mA cm^-2條件下的充放電循環穩定性

【小結】

該工作通過簡單的一步固相熱解實現了結構（NG/NCNTs）和活性組分（Fe-N_x和Fe@C）的理性設計。制備的Fe@C-NG/NCNTs在半電池和全電池中均表現出優異的催化活性和穩定性。更重要的是，這種策略為不僅提供了一種廉價、高效的非貴金屬催化劑，也為后續設計具有“結構-活性位”的電催化材料提供了啟示。

文獻鏈接：Fe/Fe3C@C Nanoparticles Encapsulated in N-Doped Graphene-CNTs Framework as An Efficient Bifunctional Oxygen Electrocatalyst for Robust Rechargeable Zn-air Batteries（J. Mater. Chem. A, 2017, DOI: 10.1039/C7TA08423D)

本文由王啟晨提供。

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