中科院理化所张铁锐丨Nano Energy：三维碳骨架支撑的Ni3FeN双功能催化剂用于高电流密度可逆锌空气电池

Green energy 7年前 (2017-09-02) 9042浏览

【引言】

可逆锌空气电池由于价格低廉、环境友好和能量密度高（1084 Wh kg-1）等优势，在便携式交通工具和能量储存器件应用方面具有巨大潜力。该电池的核心组分是驱动氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)的双功能催化剂，但是其存在动力学缓慢及循环稳定性差等问题。因此，发展廉价、高效的双功能催化剂，对于推动可逆锌空气电池的实际应用具有重要意义。氮化物，如Ni3FeN等，因其独特的电子结构和半金属特性，表现出优异的OER性能。但是将Ni3FeN应用于可逆锌空气电池中，面临两个瓶颈问题：1）氮化物的ORR活性低；2）氮化物的在合成过程（氨气气氛煅烧）中易团聚，难以得到更小尺寸、更多活性位暴露的氮化物，阻碍其OER性能的进一步提升。

【成果简介】

近期，中科院理化技术研究所张铁锐研究员等人在Nano Energy上发表一篇题为3D Carbon Nanoframe Scaffold-immobilized Ni3FeN Nanoparticle Electrocatalysts for Rechargeable Zinc-Air Batteries’ Cathodes的文章。本论文利用组分间的协同效应，可控制备了一种钴氮共掺杂碳载体(Co,N-CNF)负载14 nm Ni3FeN的纳米双功能催化剂。其中，Co,N-CNF不仅具有优良ORR性能，并可有效减小Ni3FeN在高温合成过程中的团聚问题，从而缩小其尺寸，使得该复合催化剂的OER性能明显优于IrO2，ORR性能超过Pt/C，而且该复合催化剂可在可逆锌空气电池的高电流密度(50 mA cm-2)下稳定工作。该策略为设计和合成多功能催化剂提供了新思路。

【图文导读】

Ni3FeN/Co,N-CNF的结构示意图

图1 Ni3FeN/Co,N-CNF的形貌及晶体结构表征

(A) 前驱体NiFe-LDH/Co,N-CNF的TEM图；

(B)、(C) Ni3FeN/Co,N-CNF的TEM图；

(D) 暗场TEM图及对应元素Mapping；

(E) XRD图谱。

图2 Ni3FeN/Co,N-CNF电子结构表征

(A) Ni3FeN/Co,N-CNF的Ni 2p XPS图谱；

(B) Ni3FeN/Co,N-CNF的Fe 2p XPS图谱；

(C) Ni3FeN/Co,N-CNF及对比样的Ni XANES图谱；

(D) Ni3FeN/Co,N-CNF及对比样的Fe XANES图谱。

图3 ORR性能表征

(A) ORR LSV曲线；

(B) ORR LSV曲线对应塔菲尔斜率；

(C) Koutecky-Levich曲线；

(D) 电子转移数。

图4 OER性能表征

(A) OER LSV曲线；

(B) OER LSV曲线对应的塔菲尔斜率；

(C) OER和ORR之间过电势。

图5 锌空气电池性能表征

(A) 一次锌空气电池的功率性能比较；

(B) 可逆锌空气电池的充放电极化曲线；

(C) 可逆锌空气电池在低电流密度(6 mA cm-2)下充放电循环曲线；

(D) 可逆锌空气电池在高电流密度(50 mA cm-2)下充放电循环曲线。

【小结】

研究人员利用Co,N-CNF优异的ORR性能和稳定负载物效应，成功地缓解了Ni3FeN的团聚问题，得到14 nm Ni3FeN负载Co,N-CNF双功能催化剂，并可高效、稳定地应用于可逆锌空气电池中。该策略为高活性、多功能（OER, HER, ORR）催化剂的合成提供了思路，可广泛应用于金属空气电池、可充放电式燃料电池、全分解水以及其他能源领域。

文章链接：3D Carbon Nanoframe Scaffold-immobilized Ni3FeN Nanoparticle Electrocatalysts for Rechargeable Zinc-Air Batteries’ Cathodes (Nano Energy, 2017. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.08.040)

张铁锐博士简介

张铁锐，中国科学院理化技术研究所研究员，博士生导师；中科院特聘研究员。2003年于吉林大学取得博士学位，在2004-2009年间曾先后于德国马普胶体界面研究所、加拿大国家纳米研究所和阿尔伯塔大学、阿肯色大学及加州大学河滨分校进行博士后访问，2009年11月起就职于中国科学院理化技术研究所。2017年当选英国皇家化学会会士。曾获得万人计划首批青年拔尖人才、英国皇家学会牛顿学者、国家自然科学基金委优秀青年科学基金等奖励。

主要研究领域为用于氢高效清洁制备和利用的纳米催化材料，共发表SCI论文130余篇，正面引用4000余次，申请中国专利24项(15项已授权)。目前担任Science Bulletin期刊副主编，Scientific Reports、Chinese Chemical Letters等期刊编委。

课题组主页：http://zhanglab.ipc.ac.cn/

本导读由张铁锐课题组供稿，特邀编辑吴禹翰约稿、编辑并发表。

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