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昆明理工大学《储能材料》:单原子Fe-N掺杂碳纳米片,用于可充电锌空气电池
出处:材料分析与应用  录入日期:2024-06-07  点击数:38

  1成果简介

 


  在可充电锌-空气电池(ZAB)中,锚定在碳上的原子 Fe-Nx 分子和纳米级 FeCo 物种已分别被证明是氧还原和氧进化反应(ORR/OER)中最有效的活性成分。然而,由于在高温制备过程中这两种成分的形成需要权衡,因此将这两种成分整合到单一催化剂中是一项巨大的挑战。
  本文,昆明理工大学李金成 副教授团队在《Energy Storage Materials》期刊发表名为“Surface Engineering Strategy to Synthesize Bicomponent Carbons for Rechargeable Zinc-Air Batteries”的论文,研究通过表面工程策略将它们整合到双组分碳中。在这一过程中,K3[Fe(CN)6]被设计在由聚苯胺涂层氧化石墨烯和 ZIF-67 组成的前驱体混合物表面。然后进行热解,生成由 FeCo 纳米颗粒修饰的碳多面体(用于加速 OER)和支撑在原子分散的 Fe-N 掺杂碳纳米片(用于促进 ORR)上的双组分碳催化剂。该催化剂的 OER/ORR 电位间隙很小,仅为 0.69 V。
  原位拉曼光谱表明,尖晶石铁钴氧化物可能是产生 OER 的原因。在 ZAB 中使用这种催化剂可实现很高的功率密度,在水性电解质中为225mW cm-2,在固态电解质中为 164mW cm-2。此外,在10mA cm-2条件下,经过1035 次放电-充电循环后,仍能保持0.712V的微小而稳定的电压间隙,这表明该催化剂在能源设备中具有巨大的应用潜力。
  2图文导读 

 

  图1. (a) FeCo-CP/FeSA-CN 合成过程示意图。(b-e) 不同放大倍数的 FeCo-CP/FeSA-CN 的 TEM 图像。(f) TEM 图像和相应的 EDS 元素图谱。

 

  图2:(a,d)FeCo-CP/FeSA-CN 和参考样品的(a)Co 和(d)Fe K 边 XANES 光谱。(b,e) FeCo-CP/FeSA-CN 和参考样品在 (b) Co 和 (e) Fe 的 R 空间的傅立叶变换 k3 加权 EXAFS 光谱。(c,f) FeCo-CP/FeSA-CN 中 (c) Co 和 (f) Fe 的 WT 等值线图。

 

  图4. 液态 ZAB 的性能评估:(a)FeCo-CP/FeSA-CN 和 Pt/C+Ir/C 阴极的功率密度和(b)恒流放电曲线。(c) FeCo-CP/FeSA-CN 阴极在 10 mA cm-2 下的静电充放电循环曲线。(d) 第 60 次和 (e) 第 1035 次充放电循环时的放大图。

 

  图5:固态 ZAB 的性能评估 固态 ZAB 的性能评估
  3小结
  总之,我们开发了一种表面工程策略来制造一种双组分碳,用作可充电 ZAB 的双功能氧反应电催化剂。我们利用 K3[Fe(CN)6] 对 GO@PANI 和 ZIF-67 的表面进行工程处理,从而在 GO@PANI-Fe 纳米片上负载了由 Fe-ZIF-67 多面体组成的双组分前驱体。双组分前驱体热解后,就得到了双组分碳催化剂。在这种催化剂中,FeCo 纳米颗粒被锚定在碳多面体中以促进 OER,而原子 Fe-Nx 分子被稳定在碳纳米片中以增强 ORR。
  作为一种双功能氧电极催化剂,FeCo-CP/FeSA-CN 在旋转盘电极(RDE)测量中显示出 0.69 V 的较小 OER/ORR 电位间隙。原位拉曼光谱揭示了其电催化机理,表明尖晶石铁钴氧化物在促进 OER 方面发挥了关键作用。最后,研究人员构建了可充电 ZAB,在水电解质中显示出 225 mW cm-2 的大功率密度,在固态电解质中显示出 164 mW cm-2 的大功率密度,并且在 10 mA cm-2 放电-充电循环后显示出 0.712 V 的窄而稳定的电压间隙;这些结果表明这些可充电 ZAB 在能源器件应用中具有巨大潜力。总之,这项工作提供了一种实现高性能和稳健的氧电极催化剂的可行方法,从而推动了 ZABs 的发展。
  文献:

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