2018-04-17 MaterialsViews
與氫燃料電相似，可充鋅空電池充放電過程中在空氣側(cè)電極分別發(fā)生的氧析出反應(yīng)（OER）/氧化還原反應(yīng)（ORR）動(dòng)力學(xué)非常緩慢。雖然Pt、 Ir等貴金屬電催化劑對(duì)ORR/OER具有較高的催化活性，但其昂貴的價(jià)格和嚴(yán)重稀缺的資源限制了可充鋅空電池的發(fā)展。因此，急需一種高效、價(jià)格低廉且資源豐富的非貴金屬催化劑作為替代。當(dāng)前，可充鋅空電池非貴金屬催化劑的研究中已取得了積極進(jìn)展，其中具有大比表面積的M-N/C體系材料成為人們的研究熱點(diǎn)。過渡金屬有機(jī)框架（MOF）材料是獲得M-N/C的重要前驅(qū)體，但是高溫直接碳化會(huì)導(dǎo)致氮（N）含量和孔隙率下降從而嚴(yán)重影響材料的多功能催化性能。因此，需要構(gòu)筑合適的結(jié)構(gòu)來保證材料的N含量和孔隙率保持穩(wěn)定。
針對(duì)上述科學(xué)問題，武漢理工大學(xué)木士春教授課題組通過制備三維（3D）ZIF材料設(shè)計(jì)和構(gòu)筑出了一種一維Co-Nx/C納米棒陣列電催化劑。一維納米棒結(jié)構(gòu)可有效避免過高溫碳化導(dǎo)致材料的N含量和孔隙率的降低，并有效阻止碳化過程中Co的團(tuán)聚從而形成大量的Co-N活性位點(diǎn)。測(cè)試結(jié)果表明，一維Co-Nx/C納米棒陣列材料具有優(yōu)異的ORR（E1/2=0.877V）/OER（ηj=10=0.3V）電催化活性和穩(wěn)定性。作為一種高效的雙功能催化劑（Ej=10(OER)-E1/2(ORR)=0.65V），將其用于可充鋅空電池的陰極催化劑時(shí)，在5mA/cm2電流密度下的效率達(dá)到了65.7%。全固態(tài)鋅空電池的開路電壓達(dá)到了1.42V，電池的能量密度高達(dá)853.12 Wh kgZn–1，為理論能量密度的78.6%，并在高電流下的充放電測(cè)試中都展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。一維Co-Nx/C納米棒陣列優(yōu)異的多功能電催化性能應(yīng)歸因于其化學(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)。此外，DFT理論計(jì)算結(jié)果和SCN- 毒化實(shí)驗(yàn)均進(jìn)一步證明了Co-N是最佳的活性位點(diǎn)，對(duì)提高一維Co-Nx/C納米棒陣列的催化性能起著非常重要的作用。該項(xiàng)研究成果為多功能催化劑材料的設(shè)計(jì)和構(gòu)筑，以及電化學(xué)能源器件的研發(fā)提供了新的方向。
相關(guān)文章在線發(fā)表在Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.201704638）上