华中科大Adv. Energy Mater. ：原位剥离的石墨烯纳米片与碳纤维强耦合，用于可充电锌空气电池的自立式双功能阴极

木文韬 6年前 (2018-03-19) 5498浏览

【引言】

可再充电的金属-空气电池因其高能量密度，低成本和环境友好性被广泛关注。然而，金属-空气电池的主要挑战是探索高活性的双功能电催化剂，它们同时促进氧还原和析出反应（ORR/OER）。迄今为止，最有效的ORR和OER催化剂分别是Pt基和Ir/Ru基催化剂。这些贵金属仍然受到超高成本，资源有限和耐用性差的限制。因此，开发低成本有效的双功能电催化剂以替代空气阴极中的贵金属基催化剂是非常必要的。在所有候选材料中，N-掺杂石墨烯（N-G）由于其新颖的二维结构，高表面积，优异的导电性和化学稳定性而被认为是最有前途的电催化剂，以取代用于电解反应的贵重催化剂。

【成果简介】

近日，在华中科技大学黄云辉教授和张建博士（共同通讯作者）的带领下，与同济大学和武汉理工大学合作，成功开发了缺陷富集且吡啶-N（PN）为主的核-壳结构（DN-CP@G）碳基纳米材料。通过从碳纸原位剥离石墨烯并随后进行高温氨处理石墨烯制成。由于强耦合核-壳结构，丰富的缺陷位点和高含量PN掺杂，DN-CP @G在碱性溶液中显示优异的ORR和OER催化活性和稳定性。通过直接使用DN-CP@G作为自支撑电极，组装的锌空气电池具有高放电性能和优异的长期循环稳定性，至少可以循环250次，这远远优于混合的Pt/C和Ir/C电极。值得注意的是，基于DN-CP@G的全固态电池还具有良好的放电和循环性能。相关成果以题为“In Situ Exfoliating and Generating Active Sites on Graphene Nanosheets Strongly Coupled with Carbon Fiber toward Self-Standing Bifunctional Cathode for Rechargeable Zn-Air Batteries”发表在了Adv. Energy Mater. 上。

【图文导读】

图1 DN-CP@G的微观形貌表征

a）合成DN-CP@G的示意图;

b，e）原始CP的SEM和TEM图像；

c，f）D-CP@G的SEM和TEM图像；

d，g）DN-CP@G的SEM和TEM图像。所有插图的比例尺均为200 nm。

图2 原始CP，D-CP@G和DN-CP@G的物理性能表征

a）原始CP，D-CP@G和DN-CP@G的N2吸附-解吸等温线；

b）原始CP，D-CP@G和DN-CP@G的的孔径分布（插图为微孔分布）；

c）原始CP，D-CP@G和DN-CP@G的XRD图谱；

d）原始CP，D-CP@G和DN-CP@G的拉曼光谱；

e）原始CP，D-CP@G和DN-CP@-G的EPR光谱；

f）原始CP，D-CP@G和DN-CP@G的XPS谱，插图是N 1s的拟合结果。

图3 原始CP，D-CP@G和DN-CP@G的电化学表征

a）原始CP，D-CP@G和DN-CP@G的CV曲线；

b）原始CP，D-CP@G和DN-CP@G的ORR极化曲线；

c）原始CP，D-CP@G和DN-CP@G的转移电子n；

d）原始CP，D-CP@G和DN-CP@G的OER极化曲线；

e）样品在整个ORR和OER中的总体极化曲线；

f）DN-CP@G的强耦合核-壳结构的示意图（碳原子为黑色且氮原子为蓝色）。

图4 不同剥离时间的DN-CP@G的微观和电化学表征

a-d）分别为DN-CP@G（8h），DN-CP@ G（12h）和DN-CP@G（16h）催化剂的TEM图像；

e）DN-CP@G（8h），DN-CP@ G（12h）和DN-CP@G（16h）催化剂的XRD图；f）DN-CP@G（8h），DN-CP@ G（12h）和DN-CP@G（16h）催化剂的拉曼光谱；

g）DN-CP@G（8h），DN-CP@ G（12h）和DN-CP@G（16h）催化剂的XPS谱；h）DN-CP@G（8h），DN-CP@ G（12h）和DN-CP@G（16h）催化剂的的N 1s拟合结果；

i-k）分别为DN-CP@G（8h），DN-CP@ G（12h）和DN-CP@G（16h）催化剂的ORR，OER和总体的极化曲线；

l）所有CP基催化剂的ID/IG值，PN掺杂量，以及ORR半坡电位（E1/2）和OER电位（EJ10）。

图5 锌空气电池的电化学表征

a）锌空气电池的示意图； 

b）DN-CP@G电极的开路电压；

c）用DN-CP@G电极制备的锌空气电池的极化曲线和功率密度；

d）基于DN-CP @ G和Pt / C + Ir / C电极的可充电锌-空气电池分别在5mA cm-2，20mA cm-2电流密度下的充放电循环测试；

f）由两个DN-CP@G电极串联的锌空气电池驱动的16个并联红色LED灯；

g）全固态锌-空气电池的示意图；

h）基于DN-CP@G电极的全固态锌空气电池在1mA cm-2电流密度下的充放电循环测试。

【小结】

通过将活性石墨烯纳米片层与高导电性碳纤维芯强耦合形成的核-壳结构，作为用于增强ORR和OER催化性能的新型自立式双功能电极。石墨烯壳层具有丰富的缺陷位点和活性PN掺杂，产生高效的电催化反应活性位点。相互连接的石墨碳纤维芯提供固有的高导电率和3D多孔结构，使反应过程中电子快速传递。这项工作将促进高活性双功能ORR/OER电催化剂的开发，并通过在碳载体上原位引入活性位点的实现应用，从而提供了一种简便且经济高效的方法。

文献链接：In Situ Exfoliating and Generating Active Sites on Graphene Nanosheets Strongly Coupled with Carbon Fiber toward Self-Standing Bifunctional Cathode for Rechargeable Zn-Air Batteries（Adv. Energy Mater., 2018, DOI: 10.1002/aenm.201703539）

本文由材料人编辑部学术组木文韬翻译，材料牛整理编辑。

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