Nano Energy：一種光響應的雙功能電催化劑用于氧還原和進化反應

【引言】

光催化/電催化提供了一個有前途的環保方式來滿足全球日益增長的能源需求通過光/電化學水分裂和再生燃料電池來產生清潔能源。另一方面，可充電的鋅空氣電池是具有高功率密度的先進能量儲存設備，它也是安全且成本低廉的。因此，將光化學和電化學能量轉換和化學能量儲存結合到一個單獨的可充電的鋅空氣電池中是非常可取的。為開發一種可充電的可充電的鋅空氣電池, 需要有效的正極: (i) 在放電和充電過程中，一種雙功能電催化劑，分別用于氧還原反應(ORR)和氧析出反應(OER); (ii) 一種具有p-n異質結的高效吸光劑用于高效電壓。因此，光照射輔助可充電的鋅空氣電池可以產生光電電壓，以增強其活性。

【成果簡介】

近日，來自中科院福建物質結構研究所的王要兵教授和凱斯西儲大學戴黎明教授等人在Nano Energy上發文，題為：“A Photo-responsive Bifunctional Electrocatalyst for Oxygen Reduction and Evolution Reactions”。研究人員報道了一種基于Ni₁₂P₅納米粒子(nps)與氮摻雜碳納米管(NCNT)復合的具有光響應的雙功能ORR/OER電催化劑。Ni₁₂P₅@NCNT在0.1M KOH溶液中催化劑展現出了不同尋常的高活性，ORR(起始電位在0.90 V vs. RHE)，OER (過電位為360 mv @10 ma cm^-2)，ΔE (e^oer_j=10-E^ORR_1/2) = 0.82 V。在光照下 (300 W氙燈，AM 1.5G)，the ΔE進一步降低到0.80V。由Ni₁₂P₅@NCNT正極設計的一種可充電的鋅空氣電池在6M KOH/0.2M Zn(Ac)₂溶液中展現出了低的充放電電勢差(~0.75 V @ 10 ma cm^-2, 充電電位=1.94V，放電電位=1.19V)并且具有循環超過5000次的循環穩定性。在光照下，展現了更低的1.90V的充電電位以及更高的1.22V放電電位。(充放電電勢差: 0.68 V @ 10 ma cm^-2)。 這種輻射也導致了往返效率的增加從~61.3% 提高到了~64.2%。

【圖文導讀】

圖1. 形貌分析

A) Ni₁₂P₅@NCNT雜化合成示意圖；

B) Ni₁₂P₅@NCNT不同放大倍率不同區域的SEM圖；

C, D) Ni₁₂P₅@NCNT不同放大倍率不同區域的TEM圖；

E) Ni₁₂P₅@NCNT不同放大倍率不同區域的HRTEM圖；

F) TEM image of Ni₁₂P₅@NCNT的TEM圖和相應的元素分布圖(g)：碳，氮，鎳，磷；

圖2. 結構元素分析

A) Ni₁₂P₅@NCNT的XRD圖；

B) Ni₁₂P₅@NCNT的拉曼圖譜；

C) N₂吸附-解吸等溫線和相應的孔隙大小分布；

D-F) Ni₁₂P₅@NCNT的高分辨XPS光譜：(d) n_1s, (e) Ni _2p3/2, (f) P _2p；

圖3. Mott-Schottky以及瞬態光譜分析

A) Ni₁₂P₅@NCNT的Mott-Schottky曲線；

B) Ni₁₂P₅和NCNT的Mott-Schottky曲線；

C) Ni₁₂P₅和Ni₁₂P₅@NCNT光致發光光譜；

D-E) 光照下Ni₁₂P₅@NCNT的J-V行為；

F) 在光照下Ni₁₂P₅和Ni₁₂P₅@NCNT瞬態光電流密度與時間關系；

圖4. 性能測試

A) 0.1M KOH，暗態和光照下的Ni₁₂P₅@NCNT的OER LSV曲線；

B) 0.1M KOH，暗態和光照下的Ni₁₂P₅@NCNT的ORR LSV曲線;

C) Ni₁₂P₅@NCNT的ORR和OER LSV曲線；

D) 鋅空電池光照下的示意圖；

E) 鋅空電池暗態和光照下的充放電極化曲線；

F) 鋅空電池暗態和光照下的恒電流充放電曲線；

【總結】

研究人員報道了一種基于Ni₁₂P₅納米粒子(nps)與氮摻雜碳納米管(NCNT)復合的具有光響應的雙功能ORR/OER電催化劑。Ni₁₂P₅@NCNT在0.1M KOH溶液中催化劑展現出了不同尋常的高活性，ORR(起始電位在0.90 V vs. RHE)，OER (過電位為360 mv @10 ma cm^-2)，ΔE (e^oer_j=10-E^ORR_1/2) = 0.82 V。在光照下 (300 W氙燈，AM 1.5G)，the ΔE進一步降低到0.80V。由Ni₁₂P₅@NCNT正極設計的一種可充電的鋅空氣電池在6M KOH/0.2M Zn(Ac)₂溶液中展現出了低的充放電電勢差(~0.75 V @ 10 ma cm^-2, 充電電位=1.94V，放電電位=1.19V)并且具有循環超過5000次的循環穩定性。在光照下，展現了更低的1.90V的充電電位以及更高的1.22V放電電位。(充放電電勢差: 0.68 V @ 10 ma cm^-2)。 這種輻射也導致了往返效率的增加從~61.3% 提高到了~64.2%。

文獻鏈接：A Photo-responsive Bifunctional Electrocatalyst for Oxygen Reduction and Evolution Reactions (Nano Energy. 2017., DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.11.020)

本文由材料人新能源學術組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。

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