探索和開發(fā)低成本、超長壽命、高性能的氧還原反應(yīng)非貴金屬催化劑(ORR)以取代鉑基催化劑用于電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換裝置仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。盡管有幾種非貴金屬催化劑(N摻雜石墨烯、過渡金屬納米粒子、單原子金屬-氮-碳等)。雖然與商用鉑碳相比,它們的催化性能可以媲美現(xiàn)有催化劑,但它們的長期耐用性,特別是在苛刻的電解液中的耐久性,在實(shí)際應(yīng)用中仍然不能令人滿意。
來自湖南大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)和劍橋大學(xué)的學(xué)者合成了一種的Fe3C-NG催化劑,并對其進(jìn)行了研究,以了解其在鋅空氣電池中的催化降解行為。實(shí)驗(yàn)分析和理論計算表明,由于Fe3C量子點(diǎn)提供了快速的電子轉(zhuǎn)移到NG的價帶,由Fe3C量子點(diǎn)和N摻雜石墨烯碳(Fe3C-NG)形成的Mott-Schottky異質(zhì)結(jié)提高了ORR。分子動力學(xué)模擬表明,在腐蝕性極強(qiáng)的電解液中,NG中的石墨烯結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定,避免了Fe3C量子點(diǎn)的腐蝕。將鋅/石墨烯復(fù)合薄膜與固體電解液相結(jié)合,優(yōu)化后的含F(xiàn)e3C-NG催化劑的鋅-空氣電池具有高開路電壓1.506 V,高能量密度706.4 Wh kg-1,以及長達(dá)1000h的長期穩(wěn)定性。相關(guān)文章以“Non-Noble-Metal Catalyst and Zn/Graphene Film for Low-Cost and Ultra-Long-Durability Solid-State Zn-Air Batteries in Harsh Electrolytes”標(biāo)題發(fā)表在Advanced Functional Materials。
論文鏈接:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202200397
圖 1.Fe3C@N/MCHS和Fe3C-NG Mott-Schottky異質(zhì)結(jié)制備示意圖.
圖2.所制備的Fe3C@N/MCHSS的形態(tài)特征:a)掃描電子顯微鏡圖像;b)電子顯微鏡圖像;c,d)高分辨電子顯微鏡圖像;以及e)典型的電子顯微鏡圖像和相應(yīng)的C、N、O和Fe元素映射;f)C和Fe元素的組合映射圖像;g)亮場和h)暗場電子顯微鏡圖像;i)相應(yīng)的NG和Fe3C的HAADF-STEM圖像。
圖3.a)鎳泡沫上Fe3C@N/MCHSs陰極的制造工藝,b)固態(tài)電解質(zhì)的制備,c)柔性Zn/石墨烯陽極電極的制備。
圖4.a)商用Pt/C、N/MCHSS和Fe3C@N/MCHSS在N2和O2飽和的0.1M KOH中以50 mV/s的掃描速率的CV;b)在O2飽和0.1 M KOH下,在1600 rpm轉(zhuǎn)速下各種電催化劑的LSV;c)在O2飽和的0.1 M KOH中的Fe3C@N/MCHSS在不同的轉(zhuǎn)速下的LSV和(插圖)相應(yīng)的K-L曲線;d)用于甲醇交叉試驗(yàn)的商用鉑/C和Fe3C@N/MCHSS的計時電流曲線;f)與最先進(jìn)的單一催化劑的比較;g)鋅空氣電池示意圖;h)開路電壓;i)速率性能;j)比容量;k)功率密度和l)具有鉑碳和Fe3C@N/MCHSS催化劑的鋅空氣電池的充放電循環(huán)次數(shù)。
圖 5.Fe3C@NG的莫特-肖特基異質(zhì)結(jié)示意圖:a)接觸前和b)接觸后;c) ORR機(jī)制; d,e)Fe3C@NG模型的電荷分布;f) Fe3C@NG模型上的ORR過程;g)示意圖能量溢出和h)G,NG,F(xiàn)e3C和Fe3C@NG板的不同活性位點(diǎn)上ORR途徑的能量變化;i)在Fe3C@NG上以不同電位下的能量躍升;j)在0.5M H2SO4溶液中Fe3C@NG的分子動力學(xué)(MD)模擬。
綜上所述,本文報道了一種非貴金屬Fe3C-NG催化劑,其催化活性和耐久性可與商用鉑/碳相當(dāng),用于固態(tài)鋅空氣電池的實(shí)用ORR。揭示了Fe3C-NG催化劑中的Mott-Schottky等促進(jìn)了電子轉(zhuǎn)移和電荷密度重分布對催化劑性能的調(diào)節(jié)作用。特別是對于Fe3C-NG異質(zhì)結(jié),通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計和調(diào)節(jié),由于莫特-肖特基異質(zhì)結(jié)和電荷密度的重新分布,同時實(shí)現(xiàn)了快速的電子轉(zhuǎn)移和低能壘。分子動力學(xué)模擬表明,石墨烯層阻止了Fe3C與H3O+、OH-和H2O之間的接觸,唯一影響降解的是石墨烯層中摻雜的N原子。通過制備鋅/石墨烯復(fù)合薄膜和固態(tài)電解液,進(jìn)一步解決了鋅空氣電池普遍存在的自腐蝕、鋅枝晶、穩(wěn)定性差等問題,優(yōu)化后的Fe3C-NG催化劑鋅空氣電池的開路電壓達(dá)到1.506 V,能量密度達(dá)到706.4 Wh kg-1,長期穩(wěn)定性達(dá)到1000h,向?qū)嶋H應(yīng)用邁進(jìn)了一大步。本文的工作為理解用于ORR的非貴金屬Fe3C-NG異質(zhì)結(jié)構(gòu)催化劑提供了一些新的見解,也為制造低成本、高能量密度、長時間循環(huán)的鋅空氣電池提供了新的途徑。
審核編輯 :李倩
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原文標(biāo)題:文章轉(zhuǎn)載丨湖南大學(xué)等《AFM》:低成本、超長耐久固態(tài)鋅空氣電池!
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