国防科技大学JMCA: “结构-活性位”双功能氧电极催化剂及其可逆锌-空气电池

【引言】

可逆锌-空电池安全、环保，具有高的理论能量密度（1086 Wh kg^-1）及低成本等优点，但在电池充放电过程中，氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）通常需要在较高的过电位进行，其缓慢的动力学过程严重制约了锌-空电池的能量转化效率。贵金属Pt和Ir/Ru基催化剂是目前催化ORR、OER反应最好的材料，但是高昂的成本限制了其大规模应用。此外，O₂在电解液中的溶解度很低（10^-4 mol L^-1 in 6 M KOH），强化O₂的传质有助于提高催化活性。因此，设计一种廉价、高效ORR/OER的双功能催化剂成为可逆锌-空电池研究的重要内容之一。

【成果简介】

针对上述问题，国防科技大学雷永鹏、王应德和福建物质结构研究所王要兵研究员等以氧化石墨烯为原料，利用热处理过程中金属催化原位生长碳纳米管原位形成Fe-N_x、Fe@C结构，构建三维石墨烯/碳纳米管复合物。一方面，Fe-N_x作为催化活性位，接受来自 Fe@C 注入的热电子，ORR/OER活性得到大幅提升；另一方面，NG/NCNTs复合结构有利于电子转移和传质。Fe@C-NG/NCNTs 在碱性条件下表现出优异的双功能ORR/OER活性，作为氧电极组装的锌-空电池表现出与Pt/C+IrC催化剂相当的活性。其研究成果发表在Journal of Materials Chemistry A上（Fe/Fe₃C@C Nanoparticles Encapsulated in N-Doped Graphene-CNTs Framework as An Efficient Bifunctional Oxygen Electrocatalyst for Robust Rechargeable Zn-air Batteries）。

【图文导读】

图1 Fe@C-NG/NCNTs的（a）SEM图；（b，c）TEM图；（d，e）HRTEM图；（f）Fe@C示意图；（g）HAADF-STEM图和Mapping图

图2 Fe@C-NG/NCNTs的（a）XPS全谱；（b） 高倍N 1s窄谱；（c）高倍Fe 2p 窄谱；（d）⁵⁷Fe的穆斯堡尔谱；（e）Fe K-edge的XANES谱；（f）Fe K-edge的EXAFS谱

图3（a）Fe@C-NG/NCNTs和Pt/C的LSV图；（b）Fe@C-NG/NCNTs在不同转速下的LSV图，插图为K-L曲线；（c）Fe@C-NG/NCNTs，RuO₂/C，Pt/C和GC的（a）LSV图；（d）Fe@C-NG/NCNTs和Pt/C的双功能ORR/OER极化曲线

图4（a）Fe@C-NG/NCNTs和Pt/C+Ir/C组装电池的放电曲线和对应的功率密度曲线；（b） Fe@C-NG/NCNTs在10 mA cm^-2条件下的恒流放电平台，插图为点灯照片；（c）Fe@C-NG/NCNTs和Pt/C+Ir/C电极在10 mA cm^-2条件下的充放电循环稳定性

【小结】

该工作通过简单的一步固相热解实现了结构（NG/NCNTs）和活性组分（Fe-N_x和Fe@C）的理性设计。制备的Fe@C-NG/NCNTs在半电池和全电池中均表现出优异的催化活性和稳定性。更重要的是，这种策略为不仅提供了一种廉价、高效的非贵金属催化剂，也为后续设计具有“结构-活性位”的电催化材料提供了启示。

文献链接：Fe/Fe3C@C Nanoparticles Encapsulated in N-Doped Graphene-CNTs Framework as An Efficient Bifunctional Oxygen Electrocatalyst for Robust Rechargeable Zn-air Batteries（J. Mater. Chem. A, 2017, DOI: 10.1039/C7TA08423D)

本文由王启晨提供。

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