發(fā)布：2018-1-23 武漢理工大學(xué)經(jīng)緯網(wǎng)
近期，武漢理工大學(xué)木士春教授研究組、Francis Verpoort教授團(tuán)隊(duì)通過將金屬有機(jī)骨架（MOF）作為前驅(qū)體，制備了一系列異質(zhì)原子摻雜的多功能碳納米材料，展現(xiàn)出優(yōu)異的氧還原反應(yīng)（ORR）和析氧反應(yīng)（OER）催化性能及可充鋅空氣電池性能。連續(xù)在國(guó)際材料研究領(lǐng)域頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)功能材料》(Advanced Functional Materials)（影響因子IF=12.124)上發(fā)表了3篇相關(guān)學(xué)術(shù)論文，而且3篇論文均入選熱點(diǎn)論文，提高了我校在可充鋅空氣電池研究方面的國(guó)內(nèi)外影響力。
鋅空氣電池作為一種子金屬空氣電池，是以空氣中的氧為正極活性物質(zhì)，金屬鋅為負(fù)極活性物質(zhì)將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置?？沙滗\空氣因具有電池容量大、比能量高（1084Wh/kg-1）、工作電壓平穩(wěn)、自放電少、安全性高和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，有望在新能源汽車、便攜式電源、信號(hào)裝置等應(yīng)用方面得到廣泛普及。然而，由于缺乏高效的ORR和OER催化劑，可充鋅空氣電池循環(huán)壽命通常較短。而且，可充鋅空氣電池使用的都是昂貴的金屬催化劑（如鉑和氧化銥等），急需要一種原材料豐富、價(jià)格低廉且性能高的催化劑作為替代。
對(duì)此，我校木士春教授研究組通過Mo-N界面耦合作用，將MoS2納米片垂直封裝在由MOF（metal-organic framework）衍生的氮摻雜碳（N/C）材料中，制備出了一種先進(jìn)的多功能電催化劑（Mo-N/C@MoS2）。結(jié)合實(shí)驗(yàn)和密度泛函理論（DFT）計(jì)算研究，這一催化劑表現(xiàn)出非常高的ORR、OER和析氫反應(yīng)（HER）催化活性及穩(wěn)定性。當(dāng)該催化劑作為可充鋅空電池的陰極電催化劑時(shí)，表現(xiàn)出了優(yōu)異的電輸出性能：最高能量密度高達(dá)196.4 mW cm–2，5mA cm-2電流密度下效率高達(dá)63%，25 mA cm-2電流密度下的循環(huán)穩(wěn)定性超過了48h。這些優(yōu)異的性能可歸功于其獨(dú)特的三相活性點(diǎn)（MoS2邊緣缺陷活性點(diǎn)、Mo-N界面耦合中心活心點(diǎn)和N-C活性點(diǎn)）和有利于擴(kuò)散及傳質(zhì)的分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)。該成果已發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》(AdvancedFunctional Materials, 2017, 27, 1702300)期刊上。論文第一作者為來(lái)自非洲加納的博士研究生Ibrahim Saana Amiinu。論文發(fā)表后，受到了廣泛關(guān)注，單月下載量曾高居前6。
隨后，木士春教授研究組又從3維ZIF （zeolitic imidazolate framework）納米晶體出發(fā)，制備出了一種Co/N共摻雜碳納米陣列（Co-Nx/C NRA）催化劑，其ORR、OER催化活性及穩(wěn)定性分別優(yōu)于貴金屬Pt/C、IrO2催化劑，而且還展現(xiàn)出高的鋅空電池性能。其優(yōu)異的電催化性能很大程度上可歸功于催化劑化學(xué)組分之間的協(xié)同效應(yīng)、高比表面積以及擁有大量活性位點(diǎn)的納米棒結(jié)構(gòu)。通過結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析和DFT計(jì)算研究，確定了催化劑的活性位點(diǎn)。該成果已在《先進(jìn)功能材料》（AdvancedFunctional Materials, 2018, 28, 1704638）期刊上在線發(fā)表。論文第一作者同樣為其研究組博士研究生Ibrahim SaanaAmiinu。
此外，木士春教授研究組還與我校FrancisVerpoort（王光明）教授千人研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行緊密合作，采用由2維葉片狀雙金屬（Co/Zn）ZIF衍生的氮摻雜碳納米管封裝的Co納米粒子催化劑（Co-N-CNTs）作為可充鋅空氣電池雙功能催化劑，表現(xiàn)出了優(yōu)異的電池充放性能。制備的可穿戴柔性全固態(tài)鋅空電池，在彎折條件下仍能持續(xù)穩(wěn)定地輸出電源。該成果已在《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials, 2018, 28, 1705048）期刊上在線發(fā)表。論文通訊作者分別為FrancisVerpoort教授和木士春教授，博士研究生王婷婷和寇宗魁為共同一作。
該項(xiàng)研究獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFA0202603）和國(guó)家自然科學(xué)基金（51372186，51672204，21502146）的資助。
文章鏈接
1) Ibrahim Saana Amiinu, Zonghua Pu, Xiaobo Liu, Kwadwo AsareOwusu, Hellen Gabriela Rivera Monestel, Felix Ofori Boakye, Haining Zhang,and Shichun Mu. Multifunctional Mo-N/C@MoS2 electrocatalyst forHER, OER, ORR and Zn-air batteries. Advanced Functional Materials, 2017, 27(44),1702300.
2）Ibrahim SaanaAmiinu, Xiaobo Liu, Zonghua Pu, WenqiangLi, Qidong Li, Jie Zhang, HaolinTang, Haining Zhang, Shichun Mu. From3D ZIF Nanocrystals to Co-Nx/C Nanorod Array Electrocatalysts for ORR, OER andZn-air Batteries. Advanced Functional Materials, 2018, 28, 1704638.
3） TingtingWang#, Zongkui Kou#, Shichun Mu,Jinping Liu, Daping He, Wen Meng, Ibrahim Saana Amiinu, Kui Zhou, Zhixiong Luo,Somboon Chaemchuen, Francis Verpoort. 2D dual-metal ZIF derived bifunctional air electrodes with ultra-highelectrochemical properties for rechargeable zinc-air batteries. Advanced Functional Materials, 2018, 28,1705048.