可充電鋅空氣電池高效雙功能氧電催化劑研究取得進展

成果簡介

為可充電鋅空氣電池（RZABs）設計具有高活性、持久穩定性和低成本的雙功能氧電催化劑是一項艱巨的挑戰。本文，南京工業大學吳宇平課題組和廈門大學孫世剛課題組在《Nano Research 》期刊發表名為「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」的論文，研究通過氯化鈉硬模板法合成了單分散的鈷原子錨定在含氮類石墨烯層級結構多孔碳納米片（SA-Co-N4-GCs）用作鋅空氣電池高效雙功能氧電催化劑。其三維互聯的分層多孔結構和高的比表面積，不僅暴露了更多的Co-N4活性位點，促進ORR/OER反應動力學，同時創建了一個高效的電荷/物質傳輸環境，減少擴散阻礙並加強電解質在活性位點的可及性。

實驗結果表明，SA-Co-N4-GCs表現出優異的ORR/OER雙功能催化活性，ORR的半波電位為0.89V（超過商用Pt/C催化劑），OER在電流密度為10 mA·cm−2時的起始電位為1.58V（超過商用Ru/C催化劑）。基於SA-Co-N4-GCs作為空氣電極雙功能氧電催化劑組裝的液流鋅空氣電池具有1.51 V的高開路電壓和149.3 mW·cm−2的高功率密度。電池在10 mA·cm−2電流密度下進行深度充放電循環600 h（每個循環16h），充放電電壓平台間隔僅提高了3.4%，展現了卓越的循環穩定性。此外，基於SA-Co-N4-GCs組裝的柔性准固態鋅空氣電池的功率密度也高達124.5 mW·cm−2，並且在彎折不同的角度時也能保持較長時間的穩定充放電循環。該工作表明，SA-Co-N4-GCs具有較高的單位點本徵活性和較高的暴露活性位點密度，促進了可充鋅空氣電池在電動汽車和可穿戴電子設備領域的應用。

圖文導讀

方案一、SA-Co-N4-GCs雙功能氧電催化劑的製備流程圖

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

2. SA-Co-N4-GCs（a）XANES光譜以及（b）傅里葉變換EXAFS光譜；SA-Co-N4-GCs在（c）K空間和（d）R空間對應的EXAFS擬合曲線；插圖為模擬的Co-N4結構。

圖3.基於SA-Co-N4-GCs的柔性准固態RZAB（a）示意圖和（b）開路電壓圖；（c）由兩個柔性准固態RZAB串聯供電的LED面板的照片；（d）基於SA-Co-N4-GCs的柔性准固態RZAB的充放電極化曲線和功率密度圖以及（e）在不同彎曲狀態下的恆流充放電曲線。

文獻：

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