香港理工大学倪萌|南京工业大学邵宗平Carbon Energy：富氮碳笼中植入Co粒子实现可充电锌空气电池阴极的高效氧催化

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研究背景

为了缓解由于过度使用化石燃料而导致的能源与环境危机，各种先进的电化学能源存储与转换系统得到了快速发展。其中，锌-空气电池,是以金属锌和空气电极构成的一种具有比能量高,成本低,安全性高及环境友好等诸多优点而备受人们关注,是一种节能且环保的一种电池.。该电池的发展与其空气电极的氧还原（放电）及氧析出（充电）反应密切相关。但是，这两个反应严重受限于其缓慢的动力学，这导致应用过电位很大。因此，研究者投入了大量的精力来开发各种高效电极双功能催化材料，如贵金属材料，过渡金属氧化物，硫属化合物，非金属碳材料，及各种复合材料。其中，碳材料具有成本低、地球资源丰富、导电性好、表面化学可控、电子结构修饰等优点，在电催化领域引起了广泛的关注，特别是氧还原反应。但是其表现出较差的氧析出性能。因此，通过一些调控手段来优化碳材料的氧析出和氧还原性能是迫切需要的。

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成果简介

香港理工大学倪萌课题组和南京工业大学邵宗平课题组合作，通过简单且可调控的一步煅烧法，制备了一种由富N石墨碳骨架包裹的Co纳米粒子组成的核-壳纳米结构的双功能催化材料(Co@NrC)，并研究了Co含量对碳结构性质及其催化性能的影响。最优的Co@NrC (Co@NrC-0.3)催化剂在碱性条件下对ORR和OER具有显著的电催化活性，只需0.766V电位差，且具有良好的稳定性。这一结果完全可以与商用Pt/C和RuO₂基准相媲美。在实际可充电的水溶液和全固态柔性锌空电池作为阴极电催化剂， Co@NrC-0.3样品也提供了较大的峰值功率密度、较小的充放电极化电位差和较长的循环寿命，具有很大的实际应用潜力。相关工作以题为“Tailoring structural properties of carbon via implanting optimal Co nanoparticles in N-rich carbon cages toward high-efficiency oxygen electrocatalysis for rechargeable Zn-Air batteries”发表在Carbon Energy。

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本文亮点

1.探讨了不同Co含量对碳结构性质及其氧催化性能的影响。

2.富氮碳笼包裹适量的Co粒子形成的复合材料表现出优异的氧还原和氧析出性能

3.该复合材料作为锌空电池正极材料呈现出优异性能，并实现了柔性器件的应用。

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图文解析

1. 通过预混合和一步煅烧法制备了一种由富N石墨碳骨架包裹的Co纳米粒子组成的核-壳纳米结构的复合材料。利用SEM和TEM对材料的形貌进行表征。由SEM看出一种微米大小的相互连接的片状形态。TEM证实了核-壳包裹纳米结构且元素分布均匀。

图1. Co@NrC-0.3的SEM和TEM图.

2. XRD证实了金属Co存在。通过Raman发现随着Co的增加，增强了碳的结晶度，减少了晶格缺陷。在Co@NrC样品中，XPS测定的氮含量随Co含量的增加而下降，而且Co@NrC-0.3样品具有最高的吡啶氮和金属-氮物种的含量。

图2. Co@NrC的XRD, Raman,和XPS图.

3. Co@NrC-0.3具有最佳的ORR和OER性能。

图3. Co@NrC的ORR和OER性能.

4. 作为锌空电池阴极材料，Co@NrC-0.3样品提供了较大的开路电压，峰值功率密度、较小的充放电极化电位差和较长的循环寿命。

图4. Co@NrC-0.3作为阴极催化剂的锌空电池性能.

5. Co@NrC-0.3可以实现柔性锌空电池应用。

图5. 柔性锌空电池.

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文章总结

综上所述，通过简单的混合煅烧法成功地制备了Co纳米粒子嵌入富氮石墨碳层的复合材料。得到的最优Co含量的Co@NrC-0.3催化剂不仅在碱性电解质中表现出优异的OER和HER催化活性，而且表现出优异的长寿命稳定性。这些优异的催化性能归因于其独特的核壳结构和良好的氧吸附/解离能力。将Co@NrC-0.3电池应用于可充电液体锌空电池时，其具有高的峰值功率密度，小的初始充放电电压差，并具有优异的倍率性能。此外，该催化剂在柔性全固态锌空电池中具有显著的应用潜力。

相关论文信息

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论文标题：

Tailoring structural properties of carbon via implanting optimal Co nanoparticles in N-rich carbon cages toward high-efficiency oxygen electrocatalysis for rechargeable Zn-Air batteries

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cey2.171

DOI:10.1002/cey2.171

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