暨南大學麥文杰課題組Nano Energy: 多孔碳納米纖維限域NiFe合金應用于鋅空氣電池

【全文速覽】

鋅空氣電池(ZAB)由于其低成本和良好的安全性，在下一代可持續能源存儲中具有良好的應用前景。然而ZAB的功率密度和穩定性等電化學性質通常受到空氣電極三相界面處的離子/質量傳遞的限制。近日，暨南大學麥文杰課題組提出了有效的結構工程將NiFe合金納米粒子限域在多孔碳納米纖維中，設計的雙功能催化劑（H-NiFe/CNF）具有豐富的分級孔隙和高比表面積，從而顯著地提升了空氣電極中O₂吸附/轉移和OH^-擴散等性質。有限元分析和氧吸附-脫附等表征證實了這種巧妙的結構設計極大地擴大了氧氣吸附容量、擴散效率和OH^-轉移等。組裝的液相和柔性鋅空氣電池均表現出良好的電化學性能。這項工作強調了調控催化劑的離子/質量傳輸策略來設計金屬-空氣電池的雙功能催化劑。相關研究成果發表于Nano?Energy上。通訊作者為暨南大學麥文杰教授、譚紹早教授和王子龍副教授。第一作者為雷航。

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【背景介紹】

為了取代貴金屬基催化劑，許多研究致力于開發過渡金屬基納米材料。這些活性材料經過合理設計，可以實現媲美于貴金屬的雙功能催化活性。這些催化活性數據由旋轉圓盤電極 (RDE) 測試獲取。然而，很少有文獻關注ZAB和RDE測試條件的差異，這導致具有良好催化活性的催化劑在ZAB 中展示出一般的電化學性能。換言之，RDE測試是在理想的測試條件下進行的，而ZAB測試更接近實際情況。例如，RDE在氧飽和的電解質和外部持續供氧條件下進行測試，而 ZAB 是在大氣氛圍中測量，無需額外供氧。這意味著在ZAB中使用的雙功能催化劑應具有良好的氧氣吸附能力。此外，RDE旋轉利于擴散控制的氧還原/析出反應，而ZAB的空氣電極處于相對靜止的狀態。因此，氧的擴散、轉移和析出速率對于應用于ZAB中的電催化劑極為重要。另一個不可忽略的情況是，RDE測試中使用的電解質是0.1 M 或1 M氫氧化鉀(KOH), 而ZAB中使用的是6 M KOH或強堿性固態電解質。為了提升ZAB的循環穩定性，在強堿性環境中對催化活性位點進行多重保護非常關鍵。基于以上分析，為了減少RDE和ZAB測試條件差異的影響，在設計雙功能催化劑時應更多地考慮氧吸附能力、離子/傳質速率、催化活性位點的保護層這些特性。

【本文亮點】

1. 全面地總結了旋轉圓盤電極與鋅空氣電池的測試條件差異，并定向地設計了高效的雙功能催化劑應用于鋅空氣電池。
2. 設計的催化劑具有良好的氧氣吸附/脫附，OH^-轉移特性，從而實現了鋅空氣電池功率密度和穩定性的提高。

【數據概覽】

圖1.?總結了旋轉圓盤電極與鋅空氣電池的測試條件差異，并通過有限元的方法預測納米結構對氧氣/OH^-擴撒的影響。

圖2.合成的H-NiFe/CNF展示出良好的雙功能催化活性，氧氣吸附/脫附測試和O₂程序升溫脫附等表征證實了催化劑具有良好的氧氣吸附/脫附能力，催化劑反應的過程如圖2g所示。

圖3.?基于H-NiFe/CNF的液相和柔性鋅空氣電池均展示出良好的電化學性能。

【總結與展望】

這項工作在有限元方法的指導下設計了多孔碳納米纖維限域NiFe合金的雙功能電催化劑(H-NiFe/CNF)應用于鋅空氣電池。H-NiFe/CNF催化劑具有高的比表面積大和大的孔隙率，可以促進氧吸附/擴散和OH^-轉移。因此，H-NiFe/CNF 電催化劑表現出優異的雙功能催化性能活性(ΔE=0.671 V)，優于貴金屬基催化劑和大多數以前的報道的數值。組裝的液相和柔性鋅空氣電池展示出良好的電化學性能。這項工作為優化O₂吸附/擴散和OH^-/電荷傳輸以定向設計鋅空氣電池雙功能催化劑提供了新的見解。

【作者介紹】

雷航，暨南大學在讀博士研究生（導師：麥文杰教授和譚紹早教授），目前在南洋理工大學進行聯合培養。研究方向為納米材料的合理設計及其在電催化分解水和鋅空氣電池等方面的應用研究，以第一作者發表論文10余篇。

王子龍，暨南大學理工學院副教授，碩士生導師，入選廣東省級人才計劃，主要研究方向為鋅離子電池、電催化材料。以通訊作者/第一作者在眾多高水平期刊發表論文30余篇，主持國家、省部級項目4項。

譚紹早，現任暨南大學化學與材料學院教授，博士生導師，廣東省本科高校化工與制藥類教學指導委員會委員，廣東省石墨烯類功能和高性能材料與制品(器件)工程技術研究中心主任。從事納米復合材料、功能高分子、精細化工等方面研究。主持國家級項目6項、省部及其它項目30多項，獲授權的發明專利20余件，發表SCI收錄論文130多篇，成功轉化多項科研成果。

麥文杰，暨南大學理工學院教授，物理學系系主任，廣東省真空薄膜技術與新能源材料工程技術研究中心主任。2002年本科畢業于北京大學物理系，獲理學學士學位；2009年博士畢業于美國佐治亞理工學院材料科學與工程系，獲哲學博士學位，導師為王中林（Zhong Lin Wang）院士；2009年被暨南大學作為海外優秀人才引進入校，破格評聘為副教授；2013年破格評聘為研究員；2015年起擔任物理學系系主任。已承擔國家級項目3項，省部級項目7項。曾榮獲廣東省自然科學杰出青年基金（省杰青）經費資助，入選廣東特支計劃百千萬人才工程青年拔尖人才，入選廣東高等學校優秀青年教師培養計劃，和榮獲南粵科技創新優秀學術論文一等獎。

文獻來源：

Hang Lei, Liang Ma, Qixiang Wan, Zhuowen Huangfu, Shaozao Tan*, Zilong Wang*, Wenjie Mai*，Porous carbon nanofibers confined NiFe alloy nanoparticles as efficient?bifunctional electrocatalysts for Zn-air batteries

論文DOI：10.1016/j.nanoen.2022.107941

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107941

本文由麥文杰團隊供稿