Adv. Energy Mater.: 應用于鋅-空電池中的一種新型高效的陰極催化劑

【引言】

鋅-空電池利用空氣中的氧氣作為正極電化學反應活性物質，使用金屬鋅作為負極電化學反應活性物質，具有能量密度高、資源豐富、反應活性物質綠色無污染等特點，是電能轉換和大規模儲存的首選技術之一。與一次性的鋅-空電池相比，電化學可充的二次鋅空氣電池更符合純電動汽車、電力儲能等場合的需求，近年來受到更多研究人員的關注。為了滿足空氣電極在室溫條件下進行OER/ORR電化學反應，需要使用催化劑降低氧化還原反應的能壘，減小反應過程極化，提高充電/放電過程的電流密度。Pt和Pt基材料傳統上被認為是用于氧還原（ORR）的最佳活性催化劑，但氧化物層的形成導致氧析出（OER）活性有限，Ir和Ru基材料對于OER是有效的，但對于ORR不起作用。因此，開發更有效、耐用和廉價的雙功能催化劑來取代貴金屬材料是非常必要的。

【成果簡介】

近日，上海理工大學韓三燦老師（第一作者），朱鈺方教授以及復旦大學方曉生教授（共同通訊作者）團隊，在Advanced Energy Materials發表一篇題為“Novel Route to Fe–Based Cathode as an Efficient Bifunctional Catalysts for Rechargeable Zn–Air Battery”的文章。該團隊在不同溫度和前驅物比例的條件下成功合成雙功能FeNx / C催化劑,其中α-Fe₂O₃納米片被用作Fe前驅體和模板以防止碳片聚集，并且瓊脂糖在熱解期間保持Fe基顆粒的有效分離。在所有這些樣品中，FeNx / C-700-20（700代表煅燒溫度，20代表[尿素]/[α-Fe₂O₃]的質量比）催化劑在堿性介質中顯示出更優異的ORR和OER活性，耐久性和對甲醇的耐受性。特別的是，FeNx / C-700-20催化劑可成功用于鋅-空電池，比Pt / C電極具有更高的功率密度和更出色的充放電穩定性。這項工作為構建可逆能量裝置的有效雙功能電催化劑提供了一種新方法。

【圖文導讀】
圖1.典型樣品（FeNx / C-700-20）的TEM圖

（a-b）FeNx / C-700-20的代表性TEM圖像。

（c）高分辨率TEM圖像。

（d）選定區域（碳，氮，氧和鐵）的TEM圖。

圖2.所有樣品的X射線光電子能譜（XPS）圖

（a）FeNx / C-700-20的C 1s XPS譜。

（b）FeNx / C-700-20的N 1s XPS譜。

（c）FeNx / C-700-20的Fe 2p XPS光譜。

（d）FeNx / C-600-20，FeNx / C-700-10，FeNx / C-700-20，FeNx / C-700-30，FeNx / C-900-20的N 1s XPS光譜的分峰面積的相對比率。

圖3.所有樣品的線性掃描伏安法（LSV）曲線，擴散限制電流，半波電位和起始電位圖

（a-b）所有樣品與商用20％Pt / C催化劑在1600rpm轉速下的LSV曲線。

（c-d）所有樣品與商用20％Pt / C催化劑的擴散限制電流，半波電位和起始電位。

圖4.樣品的塔菲爾斜率，Koutecky-Levich（K-L），循環伏安（CV）曲線圖

（a-b）所有樣品與商用20％Pt / C催化劑的塔菲爾斜率。

（c）FeNx / C-700-20和商用20％Pt / C催化劑在不同電勢下的相應K-L圖。

（d）FeNx / C-700在O₂-和N₂-飽和的0.1m KOH水溶液中的CV曲線。

（e-f）FeNx / C-700-20，商用20％Pt / C和IrO₂催化劑在0.1m KOH水溶液中的的OER曲線和塔菲爾斜率。

圖5.在0.1m KOH水溶液中以1600rpm旋轉環盤電極（RRDE）伏安圖

（a）在O₂-飽和的0.1m KOH水溶液中以1600rpm在FeNx / C-700-20和商用20％Pt / C電極上的ORR的RRDE伏安圖。

（b）在1600rpm的轉速下FeNx / C-700-20和商用20％Pt / C電極的電子轉移數和過氧化物產率。

圖6.FeNx / C-700-20和商用20％Pt / C的計時電流響應與對甲醇的耐受性圖

（a）在O₂-飽和的0.1m KOH水溶液中，FeNx / C-700-20和商業20％Pt / C在-0.6V的計時電流響應。

（b）在O₂-飽和的0.1m KOH水溶液中，引入甲醇后，FeNx / C-700-20和商業20％Pt / C在-0.6V的計時電流響應。

【小結】

本文分析了在堿性條件下，FeNx / C-700-20催化劑對ORR和OER活性表現出優異的催化性能，相比商用Pt / C催化劑，具有更高的起始電位和半波電位，更高的穩定性以及在堿性溶液中更強的甲醇耐受性。雙功能FeNx / C催化劑是通過簡單的熱解程序，在不同溫度和前驅物比例的條件下成功合成的，其中α-Fe₂O₃納米片被用作Fe前驅體和模板以防止碳片聚集，并且瓊脂糖在熱解期間保持Fe基顆粒的有效分離。此外，在空氣電池中作為陰極催化劑的FeNx / C-700-20與商用Pt / C催化劑相比具有更高的充放電穩定性和功率密度，在可再生能源裝置的應用中顯示出巨大的潛力。

感謝本文第一作者韓三燦老師對本文的支持與斧正！

文獻鏈接：Novel Route to Fe-Based Cathode as an Efficient Bifunctional Catalysts for Rechargeable Zn-Air Battery（Adv. Energy Mater., 2018, doi.org/10.1002/aenm.201800955）

本文由材料人編輯部新人組李峰編輯，周夢青審核，點我加入材料人編輯部。

材料測試、數據分析，上測試谷！