天津理工大学罗俊教授与广西大学刘熙俊教授《Small》：氮碳多面体内锚定Fe-P纳米晶助力可逆水系锌-二氧化碳电池

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锌-二氧化碳(Zn-CO₂)电池具有储能和固定、转化二氧化碳的双重功能，被认为是下一代CO₂捕获/利用和能源转换/储存器件的潜在候选者，然而目前Zn-CO₂电池面临如CO₂转化效率低，循环寿命短，以及阴极充放电反应动力学缓慢等一系列挑战。因此，制备高效、稳定且廉价的双功能阴极催化剂对Zn-CO2电池走向商业化具有重要的意义。
近日，天津理工大学新能源与低碳技术研究院罗俊教授与广西大学刘熙俊教授团队在《Small》期刊上发表题为“Nitrogen-Doped Carbon Polyhedrons Confined Fe–P Nanocrystals as High-Efficiency Bifunctional Catalysts for Aqueous Zn−CO₂ Batteries”，文章DOI: 10.1002/smll.202104965。该团队提出并实现了一种基于锚定Fe-P纳米晶体氮掺杂碳多面体（Fe-P@NCPs）双功能阴极的可逆水系Zn-CO2电池，基于绿色环保的水系电解液，实现了对CO₂温室气体的高效可逆利用，且非固态放电产物使其具有良好的循环性能。该工作采用自模板化的沸石咪唑类骨架 (ZIF-8) 锚定Fe-P活性位点，然后进行原位高温煅烧，合成锚定在氮掺杂碳多面体内的铁基Fe-P纳米晶催化剂(Fe-P@NCPs)，获得了优异的OER/CO₂RR稳定双功能催化活性。该Fe-P@NCPs催化剂粒径约为55 nm，活性位点纳米晶尺寸在2 nm左右，不仅能够实现最优-0.55 V（相对于可逆氢电极）电位下高达95% CO₂还原成CO法拉第效率；在中性电解液中析氧反应达到10 mA/cm^-2所需过电位为840 mV ,Tafel斜率最低为121 mV dec^-1。
此外，使用Fe-P@NCPs阴极构建的水系Zn-CO₂电池获得优异的可逆充放电性能，其峰值功率密度为0.85 mA/cm²，能量密度为231.8 Wh kg^-1，循环耐久稳定性超过500次且保持7天充放电循环下无明显衰减。该电池的高选择性和高效率归因于高比表面积的N掺杂碳多面体(ZIF-8)上负载分散均匀的Fe-P纳米晶，利用磷原子增加多电子p轨道，可以有效增加催化活性位点数量和界面电荷转移电导率，实现高产物选择性和锌-二氧化碳电池长循环寿命。这种碳基体中加入Fe-P结构的具有CO₂RR/OER活性的双功能纳米晶催化剂为绿色能源转换系统实现生态高效CO₂利用提供了新的思路。 
图1. Fe-P@NCPs的形貌表征。 (a) SEM图 (b) TEM图 (c) HAADF-STEM 图, (d) 相应EDX元素映射图像，(e) HRTEM图像，(f) 放大HRTEM图像，插图为选区电子衍射图，(g) HRTEM图像。  图2. 合成的Fe-P@NCPs晶体结构分析。(a) XRD谱图，(b) N1s高分辨率XPS谱图，(c) Fe 2p高分辨率XPS谱图，(d) P 2p的高分辨率XPS谱图。  图3. 电催化二氧化碳还原和析氧性能测试分析。(a) 饱和CO₂氛围下LSV曲线，(b) 不同电位下的二氧化碳还原效率，(c)双电层电容，(d) 电化学阻抗图，(e) OER反应的LSV曲线，(f) OER反应的Tafel斜率。  图4. 基于Fe-P@NCPs双功能阴极构筑Zn-CO₂电池。(a) Zn-CO₂电池充放电示意图，(b) Zn-CO₂电池充放电曲线，(c) 功率密度，(d) 不同放电电流密度下CO₂还原效率，(e) 0.5 mA/cm^-2恒电流下CO₂还原稳定性与法拉第效率，(f) 双Zn-CO₂电池驱动LED灯实物图，(g) 0.5 mA/cm^-2恒电流充放电循环稳定性测试。 论文第一作者为天津理工大学新能院与低碳技术研究院研究生刘帅和化工学院研究生王磊，论文通讯作者为天津理工大学材料科学与工程学院杨慧博士，天津理工大学化工学院陈瑜副教授及广西大学刘熙俊教授。天津理工大学新能源与低碳技术研究院为论文第一完成单位，该研究得到国家自然基金和天津科委等相关部门的资助支持。

原文链接

https://doi.org/10.1002/smll.202104965

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