南京工業大學Adv. Energy Mater.: 用于可充電鋅空氣電池的高性能鉑-鈣鈦礦復合雙功能電催化劑

【引言】

鋅空氣電池由于其能量密度高和安全性成為了最具前景的金屬空氣電池技術之一。一方面，鋅含量豐富，相對于鋰來說成本更低且可再生潛力更高。另一方面：由于Zn金屬負極具有較高氧化還原電位，從而使得其能夠在水系電解液中運行。鋅負極可在接近中性或弱酸性的電解質（pH值為3.6–6.0）的條件下實現可逆的Zn沉積/剝離，其循環壽命長。 此外，Zn電化學反應涉及兩個電子，導致其具有較高的體積能密度。然而，鋅-空氣電池的大規模應用受到空氣電極中氧還原反應(ORR)和氧釋放反應(OER)動力學緩慢的限制。因此，需要開發具有高效性能的雙功能電催化劑。鉑(Pt)已被視為ORR電催化劑的基準，已廣泛用于可再生能源設備中。然而，其成本高、OER活性低和其耐久性差阻礙其單獨用于雙功能電催化劑。將Pt與另一種具有高OER活性的低成本材料相結合被認為是實現高性能雙功能電催化劑的有吸引力的策略。

【成果簡介】

近日，南京工業大學邵宗平教授和周嵬教授（共同通訊作者）通過固相反應路線合成了Fe摻雜的SrCo_0.95P_0.05O_3?δ鈣鈦礦類似物，記為Sr(Co_0.8Fe_0.2)_0.95P_0.05O_3-δ (SCFP)。然后，使用簡單的球磨方法將SCFP與20 wt％的Pt/C (20Pt/C)商業材料和Super P Li添加劑均勻混合。所得的復合材料表示為Pt-SCFP/C-ab，ab表示Pt (a)與SCFP (b)的質量比。Pt-SCFP/C-12顯示出優異的雙功能催化活性，其OER性能優于IrO2催化劑，ORR性能接近Pt/C樣品。基于Pt-SCFP/C-12催化劑的Zn-空氣電池具有優異的循環穩定性。同時，電池在214 mA cm^-2時還具有122 mW cm^-2的高峰值功率密度，在5 mA cm^-2的電流密度下時具有790.4 mAh g^-1的高比容量。出色的電化學性能可以歸因于電子在Pt-O-Co的快速轉移，Pt和SCFP之間的協同效應以及大量的氧空位。這項工作不僅為鋅空氣電池提供了一系列低成本，高活性的電化學催化劑，而且為鋅空氣電池的實際應用提供了一種簡便而有效的方法。相關研究成果“High-Performance Platinum-Perovskite Composite Bifunctional Oxygen Electrocatalyst for Rechargeable Zn–Air Battery”為題發表在Advanced Energy Materials上。

【圖文導讀】

圖一催化劑的物相表征和成分表征

（a）SCFP，20Pt/C和Pt-SCFP/C-12復合催化劑的XRD譜圖和XPS光譜。

（c-e）Pt-SCFP/C-12的HRTEM圖像和相應的元素映射

?

圖二催化劑的電催化性能表征

（a，b）SCFP，20Pt/C和Pt-SCFP/C-12 ORR和OER測試的LSV曲線。

（c）SCFP，20Pt/C和Pt-SCFP/C-12的ORR K-L圖。

（d）SCFP，20Pt/C和Pt-SCFP/C-12的電勢差比較。

（e，f）SCFP，20Pt/C和Pt-SCFP/C-ab復合材料的ORR以及SCFP，20Pt/C，IrO₂和Pt-SCFP/C-ab的Tafel圖。

（g，h）催化劑的穩定性對比。

（i）與其他工作的對比。

圖三基于Pt-SCFP/C-12 催化劑的鋅空電池電化學性能表征

?（a）串聯三個基于Pt-SCFP/C-12的Zn-空氣電池的開路電壓

（b）基于Pt-SCFP/C-12的鋅空氣電池為LED屏幕供電。

（c）鋅空氣電池的極化圖和相應的功率密度曲線。

（d）恒電流放電曲線。

（e）基于Pt-SCFP/C-12或1：1 20Pt/C + IrO2混合物的Zn-空氣電池在5 mA cm^-2放電的電壓-時間曲線。

圖四催化劑的機理表征

（a）Pt-SCFP/C-12和SCFP的O 1s XPS光譜。

（b）SCFP和Pt-SCFP/C-12的XANES Co和Fe K邊緣譜。

（c）20Pt/C和Pt-SCFP/C-12的Pt 4f XPS光譜。

（d）Pt-SCFP/C-12的Pt L-edge和Co K-edge EXAFS的R空間光譜。

（e）用于ORR和OER的Pt-SCFP/C-ab復合材料中電子相互作用和溢出效應的示意圖。

圖五第一性原理計算

（a）在堿性溶液里OER和ORR的LSV曲線

（c）Pt-SCFP/C-12，SCFP和20SCFP/C樣品的Co 2p XPS光譜。

（d）Pt-SCFP/C-12催化劑在0.1 m KOH的ADT中進行1個循環和1000個循環的CV曲線。

【小結】

總之，在這項工作中，通過簡便的球磨方法合成了一系列基于鈣鈦礦氧化物SCFP和貴金屬20Pt/C的Pt-SCFP/C-ab復合材料。然后，通過XRD，STEM和元素映射確定了Pt-SCFP/C-12復合物中Pt和SCFP相的共存及其在碳表面上的均勻分布。Pt-SCFP/C-ab復合材料顯示出卓越的ORR和OER性能，最佳的Pt-SCFP/C-12樣品具有出色的雙功能催化性能和耐用性，優于IrO₂催化劑的OER性能，ORR接近20 Pt/C的樣品。出色的電化學活性可歸因于通過Pt-O-Co鍵的快速電子轉移，能壘的降低和活性位點的增加和表面氧空位。此外，配備Pt-SCFP/C-12的電池還具有出色的充放電循環穩定性，可維持80 h（240個循環）。這種可以對貴金屬催化劑進行替代以降低應用成本并同時提高電化學性能，其在金屬-空氣電池和其他設備中的經濟應用潛力是非常巨大的。

文獻鏈接：“High-Performance Platinum-Perovskite Composite Bifunctional Oxygen Electrocatalyst for Rechargeable Zn–Air Battery”(Adv. Energy?Mater.2019.DOI: 10.1002/aenm.201903271)

【通訊作者簡介】

周嵬，南京工業大學化工學院，材料化學工程國家重點實驗室教授，博士生導師。海外高層次人才引進計劃青年學者，江蘇省杰出青年基金獲得者、江蘇省特聘教授、江蘇省“雙創人才”、江蘇省“雙創團隊”領軍人才。已在Nature Energy、Nature Communications 、Science Advances、Advanced Materials等國際期刊發表SCI論文250余篇；論文總共被引用9700余次，h-index=56。主要從事燃料電池、電催化、水處理等領域的研究。

邵宗平，南京工業大學化工學院，材料化學工程國家重點實驗室教授，博士生導師。“國家百千萬人才工程”有突出貢獻的青年專家、長江學者、國家杰青、萬人計劃。已在Nature、Nature Energy、Nature Communications、Science Advances等國際期刊發表SCI論文600余篇；論文總共被引用28700余次，h-index=80。主要從事燃料電池、太陽能電池、光催化、電催化、鋰/鈉離子電池、水處理等領域的研究。

本文由微觀世界編譯供稿。

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