可充电锌空气电池高效双功能氧电催化剂研究取得进展

成果简介

为可充电锌空气电池（RZABs）设计具有高活性、持久稳定性和低成本的双功能氧电催化剂是一项艰巨的挑战。本文，南京工业大学吴宇平课题组和厦门大学孙世刚课题组在《Nano Research 》期刊发表名为“Efficient oxygen electrocatalysts with highly-exposed Co-N4 active sites on N-doped graphene-like hierarchically porous carbon nanosheets enhancing the performance of rechargeable Zn-air batteries”的论文，研究通过氯化钠硬模板法合成了单分散的钴原子锚定在含氮类石墨烯层级结构多孔碳纳米片（SA-Co-N4-GCs）用作锌空气电池高效双功能氧电催化剂。其三维互联的分层多孔结构和高的比表面积，不仅暴露了更多的Co-N4活性位点，促进ORR/OER反应动力学，同时创建了一个高效的电荷/物质传输环境，减少扩散阻碍并加强电解质在活性位点的可及性。

实验结果表明，SA-Co-N4-GCs表现出优异的ORR/OER双功能催化活性，ORR的半波电位为0.89V（超过商用Pt/C催化剂），OER在电流密度为10 mA·cm−2时的起始电位为1.58V（超过商用Ru/C催化剂）。基于SA-Co-N4-GCs作为空气电极双功能氧电催化剂组装的液流锌空气电池具有1.51 V的高开路电压和149.3 mW·cm−2的高功率密度。电池在10 mA·cm−2电流密度下进行深度充放电循环600 h（每个循环16h），充放电电压平台间隔仅提高了3.4%，展现了卓越的循环稳定性。此外，基于SA-Co-N4-GCs组装的柔性准固态锌空气电池的功率密度也高达124.5 mW·cm−2，并且在弯折不同的角度时也能保持较长时间的稳定充放电循环。该工作表明，SA-Co-N4-GCs具有较高的单位点本征活性和较高的暴露活性位点密度，促进了可充锌空气电池在电动汽车和可穿戴电子设备领域的应用。

图文导读

方案一、SA-Co-N4-GCs双功能氧电催化剂的制备流程图

图1. SA-Co-N4-GCs的低倍率（a）和高倍率（b）SEM图像；SA-Co-N4-GCs的低倍率（c）和高倍率（d）TEM图像；（e）和（f）SA-Co-N4-GCs的AC-HAADF-STEM图像; (g)-(k)SA-Co-N4-GCs的HAADF-STEM元素映射图像。

2. SA-Co-N4-GCs（a）XANES光谱以及（b）傅里叶变换EXAFS光谱；SA-Co-N4-GCs在（c）K空间和（d）R空间对应的EXAFS拟合曲线；插图为模拟的Co-N4结构。

图3.基于SA-Co-N4-GCs的柔性准固态RZAB（a）示意图和（b）开路电压图；（c）由两个柔性准固态RZAB串联供电的LED面板的照片；（d）基于SA-Co-N4-GCs的柔性准固态RZAB的充放电极化曲线和功率密度图以及（e）在不同弯曲状态下的恒流充放电曲线。

文献：

https://doi.org/10.1007/s12274-022-4382-7