滑鐵盧大學陳忠偉團隊Adv. Energy Mater.封面文章：新型Co/Co3O4異質結@多孔石墨化碳殼作為雙功能催化劑用于高能量二次鋅空電池

【引言】

金屬鋅作為能量載體的空氣電池具有零污染、安全、高效等優點，在大規模可再生資源能源儲存、電動汽車以及下一代消費類電子產品（如通信和醫療設備）領域中具有巨大的應用潛力。然而，目前缺乏有效催化氧還原和氧析出反應的雙功能催化劑，嚴重限制了可充電鋅空氣電池的實際應用。因此，開發廉價、易制備的高效多功能電催化材料，驅動可充電鋅空氣電池是該研究工作的亮點。

【成果簡介】

基于以上問題，近日，來自加拿大滑鐵盧大學的陳忠偉教授在Advanced Energy Materials發表了題為“Interpenetrating Triphase Cobalt-based Nanocomposites as Efficient Bifunctional Oxygen Electrocatalysts for Long-lasting Rechargeable Zn-air Batteries”的封面文章。該文章首次設計利用二維Zn基MOFs骨架中有機碳的還原性來調控鈷離子的氧化態，成功構筑Co/Co₃O₄異質結@多孔石墨化碳殼復合材料。圖1展示了該復合催化劑的合成路徑。研究人員首先采用室溫液相反應合成二維Zn MOFs納米片，利用液相浸漬得到Zn/Co MOF-Co(NO₃)₂前驅體，然后進一步920 ℃氬氣處理，得到氮摻雜多孔石墨化碳殼包覆的鈷/氧化鈷異質納米顆粒（Co/Co₃O₄@PGS）。由于結構設計上的優勢，其具有優異的雙功能電催化活性（圖4）：氧還原峰的半波峰電位為0.89 V, 氧析出曲線上對應于10 mA/cm²電流密度的電位為1.58 V。其次，將其作為雙功能催化劑應用于鋅-空氣電池，與商業貴金屬Pt/C和Ir/C催化劑相比， Co/Co₃O₄@PGS催化劑呈現出高的功率密度、長的循環壽命和較小的極化。

【圖文導讀】

圖1 Co/Co₃O₄@PGS復合材料的合成示意圖

圖2 Co/Co₃O₄@PGS的透射電子顯微鏡圖（a, b）, 高分辨透射電子顯微鏡圖（c, d）,晶面間距（e, f），相應的傅里葉變換花樣（g, h），Co和O的元素分布圖（i-l）

圖3 Co/Co₃O₄@PGS的（a）氮氣吸/脫附等溫線及孔徑分布（插圖），(b) N 1s,（c）C1s和（d）Co 2p_3/2高分辨XPS圖

圖4 Co/Co₃O₄@PGS和Pt/C催化劑的（a-d）電催化氧還原和氧析出反應性能，在（e）0.7 V電位下及（f）1.6 V電位下的穩定性曲線

圖5 Co/Co₃O₄@PGS和Pt/C+Ir/C催化劑的鋅空氣電池電化學性能

催化劑以及鋅-空氣電池呈現出優異的電化學性能得益于：Co/Co₃O₄@PGS復合材料獨特的Co/Co₃O₄異質結耦合協同作用有效豐富了活性位點、提升了電子導電性，同時納米顆粒和碳基底之間存在的強Co-N共價鍵穩定了結構。該工作為開發復合雙功能電催化劑提供了新的設計思路，同時推動了鋅空氣電池在各儲能領域的實際應用。

特別感謝：

美國布魯克海文實驗室蘇東研究員團隊為本實驗提供的TEM表征支持

文獻鏈接：

Interpenetrating Triphase Cobalt-based Nanocomposites as Efficient Bifunctional Oxygen Electrocatalysts for Long-lasting Rechargeable Zn-air Batteries. (Advanced Energy Materials, 2018, DOI: 10.1002/aenm.201702900)

通訊作者團隊簡介

陳忠偉：加拿大滑鐵盧大學(University of Waterloo)化學工程系教授、加拿大國家首席科學家(CRC-Tier 1)、加拿大工程院院士、加拿大先進能源材料研究主席、加拿大皇家科學院青年院士、國際電化學能源科學院副主席、美國化學會期刊ACS Applied Materials & Interfaces的副主編。陳忠偉院士帶領一支約70人的研究團隊多年來致力于燃料電池、金屬空氣電池、鋰離子電池、鋰硫電池、鋰硅電池、液流電池等儲能器件的研發與創新。在Nature Energy、Nature Nanotechnology、Nature Communications、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials、Energy & Environmental Science、Nano Letters、ACS Nano等國際知名期刊發表SCI論文220余篇，目前為止，其文章已引用次數超過15,000次，最高引用超過900次，H-index指數高達58。

課題組主頁：http://chemeng.uwaterloo.ca/zchen/

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