負載微量Co的氮摻雜缺陷碳用于全固態鋅-空氣電池

【引言】

電催化氧還原反應（ORR）和氧析出反應（OER）是電化學能量轉換裝置（如燃料電池和金屬-空氣電池）的關鍵，OER&ORR的多步驟電子轉移過程和緩慢動力學會產生較大的過電位，嚴重降低了反應效率。目前，貴金屬Ru（Ir）基和Pt基催化劑是目前高效的OER和ORR電催化劑，但貴金屬催化劑的稀缺性、不菲的價格以及差強人意的穩定性阻礙了其廣泛的應用。因此，在保證高性能的前提下，開發廉價、高效的非貴金屬催化劑，其重要性不言而喻。

【成果簡介】

近期，中南大學雷永鵬教授和中科院福建物質結構研究所王要兵教授團隊等通過“一鍋”熱解法制備含微量Co（1.5 wt.％）的N摻雜缺陷碳，在堿性條件下表現出高效的雙功能氧析出/氧還原反應活性，高活性主要歸因于獨特的微-介孔結構（1~3 nm）、石墨-N摻雜（高達49.0％）、豐富的缺陷和石墨碳包覆的鈷納米顆粒。作為空氣電極組裝到鋅-空氣電池，可充式液態鋅空氣電池表現出優異的活性（最大功率密度為154.0 mW cm-2；在5 mA cm-2時的能量密度為773 Wh kg-1和超過100圈的優秀循環充放電穩定性）。繼而組裝了柔性、可充式全固態鋅空氣電池，電池的最高功率密度高達45.9 mW cm-2，是以前報道的最高水平之一。該研究成果已于近期發表在著名期刊Science Bulletin，（N-doped defective carbon with trace Co for efficient rechargeable liquid electrolyte- /all-solid-state Zn-air batteries）

【圖文導讀】

圖1.?Co-NDC的形貌結構圖(a) SEM圖；

(b) TEM圖；

(c) 元素mapping圖；

(d) HRTEM圖；

(e) Co-NDC的Co K-edge的K空間譜圖；

(f) Co-NDC和Co箔的Co K-edge的R空間譜圖。

圖2. Co-NDC的組織結構圖
(a) BET圖；

(b) CA, NDC和Co-NDC的Raman譜圖；

(c) Co-NDC的擬合Raman譜圖；

(d) 高倍N 1s譜圖(d) 高倍N 1s譜圖

圖3.?Co-NDC的電化學OER / ORR變化(a) NDC,Co-NDC,Pt/C和RuO2/C的OER極化曲線；

(b) 塔菲爾斜率；

(c) NDC,Co-NDC和Pt/C的ORR極化曲線；

(d) Co-NDC在不同轉速的極化曲線；

(e) Co-NDC在不同掃速下CV曲線；

(f) NDC和Co-NDC的雙電層電容比較。

圖4.?具有Co-NDC的液態電解質Zn-空氣電池的性能?(a) Co-NDC和Pt/C的放電曲線和對應的功率密度曲線；

(b) Co-NDC的恒流放電穩定性；

(c) Co-NDC和Pt/C + Ir/C在10 mA cm-2條件下的充放電循環穩定性。

圖5.?具有Co-NDC的全固態Zn-空氣電池的性能(a) 全固態電池示意圖；

(b) Co-NDC的充放電曲線和對應的功率密度曲線；

(b) Co-NDC與已報道催化劑的最大功率密度值比較；

Co-NDC在2 mA cm-2條件下的充放電循環穩定性，插圖為柔性全固態電池點燈照片。

【小結】

本文介紹了一種基于“固態裂解”策略制備的含微量Co的N摻雜缺陷碳雙功能催化劑，該催化劑廉價、高效。組裝的柔性、可逆全固態鋅空氣電池在各種彎折情況下依然具有穩定的充放電循環性能。

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雷永鵬簡介：

雷永鵬，男，1982年生。2011年畢業于國防科技大學，獲材料科學與工程專業博士學位，博士論文被評為湖南省優秀博士學位論文（2014）。研究方向為結構/功能纖維及其復合材料、光/電能源催化材料。先后主持國家自科基金等項目，已發表SCI論文50余篇，授權國家發明專利5項。共同指導全軍優秀碩士學位論文2篇，指導立項國家級大學生創新項目8項。

感謝王啟晨供稿！

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