昆明理工Adv. Energy Mater.：高效長壽可充電鋅空氣電池的新策略

【導讀】

?金屬空氣電池，尤其是帶有水性電解質的可充電鋅空氣電池（ZAB），最近引發了一波研究浪潮，因為與傳統可充電電池相比，它們具有更高的能量密度、更好的安全性和更環保的特性。ZAB涉及放電過程中的氧還原（ORR）和充電期間的空氣電極中的氧逸出（OER）兩個顯著反應。ORR和OER的動力學相當慢，分別導致電池輸出性能和充電特性不理想。因此，許多研究人員最近致力于研究高性能和高性價比的雙功能ORR/OER電催化劑，以提高電池性能并試圖推進其實際應用。

【成果掠影】

近日，昆明理工大學李金成教授提出了一種碳納米管橋接策略，用于合成這種富含高活性單原子Fe位點的雙功能氧電催化劑用于ORR和高性能納米NiCo氫氧化物用于OER。結果表明，該催化劑的過電位差為0.686 V。當用作氧電極催化劑時，相應的ZAB表現出219.5 mW cm^?2的大功率密度，10 mA cm ^?2時的充放電電壓間隙為0.72 V，以及出色的充放電耐久性，在超過700次循環后持久性不衰減。相關成果以“Carbon-Nanotube-Bridging Strategy for Integrating Single Fe Atoms and NiCo Nanoparticles in a Bifunctional Oxygen Electrocatalyst toward High-Efficiency and Long-Life Rechargeable Zinc–Air Batteries”發表在Advanced Energy Materials上。昆明理工大學李金成教授和華盛頓州立大學(WSU)Prof. Yuehe Lin為論文的通訊作者。

【核心創新點】

?本工作提出了在雙功能氧電催化劑中整合單個Fe原子和NiCo納米顆粒的碳納米管橋接策略，實現多功能催化劑的新思路，并推動了ZABs的實際應用。

【數據概況】

圖1：a）FePc ||CNTs||NiCo/CP的XRD圖譜。 b）FePc ||CNTs||NiCo/CP和參考樣品的FTIR光譜。c）FePc ||CNTs||NiCo/CP和參考樣品的Fe K-edge XANES光譜。d）FePc ||CNTs||NiCo/CP和參考樣品的FT k³加權EXAFS光譜。e） NiCo/CP||FePc /CNT的FT-EXAFS擬合曲線。f）FePc||CNTs||NiCo/CP，g）FePc和h）Fe箔的小波變換（WT）。?2022 ?Jin-Cheng Li

圖2：a、 b）FePc||CNT||NiCo/CP的TEM圖像。c） （b）標記部分中FePc||CNTs||NiCo/CP的選區電子衍射。d） FePc||CNT||NiCo/CP中金屬納米顆粒的原子分辨率TEM圖像和e）相應的EDS元素映射。f） FePc||CNT||NiCo/CP中該金屬納米粒子的放大圖像。g、 h）FePc||CNT||NiCo/CP中與CNT耦合的FePc的原子分辨率TEM圖像。i） FePc||CNT||NiCo/CP中沒有金屬納米粒子的FePc耦合CNT截面的EDS光譜。?2022 ?Jin-Cheng Li

圖3：a） ORR極化曲線和b）FePc||CNT||NiCo/CP和參考樣品的電子轉移數和過氧化物產率。c） 5000次電位循環前后FePc||CNT||NiCo/CP的ORR極化曲線。d） FePc||CNT||NiCo/CP和參考樣品的OER極化曲線。e） 5000次電位循環前后FePc||CNT||NiCo/CP的OER極化曲線。f）Pt/C+Ir/C、FePc||CNTs||NiCo/CP和FePc||CNTs ||Co/CP的總體氧電催化性能比較。?2022 ?Jin-Cheng Li

圖4：在FePc||CNT||NiCo/CP上收集的原位拉曼光譜用于a）ORR過程和b）在O₂飽和的0.1m KOH溶液中的OER過程。?2022 ?Jin-Cheng Li

圖5：a) FePc||CNTs||NiCo/CP和Pt/C + Ir/C作為液態ZABs氧電極在10 mA cm^?2處的極化和功率密度曲線和b)放電曲線。c)基于FePc||CNTs||NiCo/CP和Pt/ c + Ir/ c的固態柔性ZABs的極化和功率密度曲線。d) FePc||CNTs||NiCo/CP作為10 mA cm^?2氧電極時液態ZAB的恒流充放電曲線。e-g) FePc||CNTs||NiCo/ cp基液態ZAB的第1、300、700次充放電循環曲線。這里使用的充放電平臺電壓是它們的平均值。?2022 ?Jin-Cheng Li

【成果啟示】

總之，作者提出了一種簡單的CNT橋接策略，將含有Fe-N₄原子部分的FePc和含有NiCo納米顆粒的碳顆粒集成到一種混合材料中，該混合材料用作一種高效且堅固的雙功能氧電極催化劑。實驗結果，包括X射線吸收精細結構光譜、像差校正TEM成像和原位拉曼光譜，表明所獲得的FePc||CNT||NiCo/CP催化劑同時保持高濃度的單原子Fe-N₅活性位點用于ORR和納米尺寸的NiCo氫氧化物用于OER。得益于這種獨特的結構，FePc||CNT||NiCo/CP表現出優異的氧電催化性能，優于商業貴金屬Pt/C+Ir/C催化劑和大多數以前的雙功能催化劑。更重要的是，當FePc||CNT||NiCo/CP用于組裝可充電ZAB時，證明了優異的電池輸出性能和充放電循環耐久性。這項工作為設計先進的雙功能氧電催化劑提供了一種新的可行策略，并將推動可再充電ZAB的實際應用。

參考文獻：Ding, S., He, L., Fang, L., Zhu, Y., Li, T., Lyu, Z., Du, D., Lin, Y., Li, J.-C., Carbon-Nanotube-Bridging Strategy for Integrating Single Fe Atoms and NiCo Nanoparticles in a Bifunctional Oxygen Electrocatalyst toward High-Efficiency and Long-Life Rechargeable Zinc–Air Batteries. Adv. Energy Mater. 2022, 2202984. https://doi.org/10.1002/aenm.202202984