广东工业大学王乃光/施志聪教授《ACS AMI》：Co3ZnC/Co异质结/多孔碳氧还原催化剂

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发展高效廉价氧还原催化剂取代昂贵的铂基材料用于金属-空气电池和燃料电池对解决化石能源危机具有重要意义。M-N-C(M = Co、Fe、Mn等)及其衍生物是一类高效的非贵金属氧还原催化剂，其催化活性中心为M-N_x结构、金属化合物和金属纳米颗粒，且这三者之间存在催化氧还原反应的协同效应。目前一般通过热解金属有机框架合成上述催化剂，但该方法过程繁琐且难以获得大量介孔，导致电催化的传质受阻。Co₃ZnC/Co异质结已被证实具有氧还原催化活性，但受氧吸附和传质的限制，此类催化剂在0.1 M氢氧化钾溶液中的半波电位很难超过0.83 V(vs. RHE)，且耐久性相对较低。

广东工业大学材料与能源学院的王乃光、施志聪(共同通讯作者)等利用溶胶凝胶法，合成负载在氮掺杂多孔碳和碳纳米管上的Co₃ZnC/Co纳米异质结催化剂，在0.1 M氢氧化钾溶液中展现出较强的氧还原电催化活性和耐久性，半波电位可达0.88 V(vs. RHE)，是目前报道的此类异质结催化剂的最高值。经过5000圈CV循环后该催化剂的半波电位仅损失4 mV，耐久性远超过商业铂碳。此优异的性能源自Co₃ZnC/Co纳米异质结和丰富的介孔结构，前者可增强氧还原电催化的固有活性，后者有利于物质传输。此外，大量碳纳米管能促进氧的吸附，同时对包裹其中的Co₃ZnC/Co纳米异质结具有保护作用。以该催化剂作阴极的锌-空气电池具有高于商业铂碳的峰值功率、放电平台和放电容量。本研究对廉价高效氧还原催化剂的合成具有重要指导意义，相关结果以标题Hydrogel-Derived Co₃ZnC/Co Nanoparticles with Heterojunctions Supported on N-Doped Porous Carbon and Carbon Nanotubes for the Highly Efficient Oxygen Reduction Reaction in Zn–Air Batteries发表在ACS Appl. Mater. Interfaces上。梁健文和陈锦鹏为本文的共同第一作者。

图1. 催化剂合成示意图

图2. (a)-(b) X射线衍射谱，(c) 拉曼光谱，(d)-(f) 比表面及孔径分布图3. 高分辨X射线光电子谱：(a) C 1s, (b) N 1s, (c) O 1s, (d) Co 2p_3/2, (e) Zn 2p图4. (a)-(c) 透射电镜明场像，(d) 选区衍射斑，(e)-(f) 透射电镜高分辨像，(g)-(i) 元素面分布(图(c))图5. 0.1M氢氧化钾溶液中的氧还原催化性能：(a) CV, (b) LSV极化曲线，(c) Tafel图，(d) 电子转移数和过氧化氢产率，(e)-(f)循环5000圈CV前后的LSV极化曲线对比，(g) 0.75 V (vs. RHE)电势下的电流保持率图6. 锌-空气电池性能：(a) 放电极化曲线和功率密度曲线，(b) 不同电流密度下的阶跃放电曲线，(c) 5 mA cm^-2放电的电压-时间曲线，(d) 5 mA cm^-2放电的电压-容量曲线，(e) 充放电曲线

结论：Co₃ZnC/Co纳米异质结对增强氧还原电催化固有活性发挥着至关重要的作用，大量的碳纳米管和Co金属纳米颗粒中的层错有利于氧的吸附，中空的碳纳米管和丰富的介孔结构可促进氧还原过程中物质的传输。得益于该独特的组织结构，催化剂展现出较强的氧还原电催化性能，在0.1 M氢氧化钾水溶液中的半波电位为0.88 V(vs. RHE)，且耐久性远超过商业铂碳。以该催化剂作阴极的锌-空气电池，与商业铂碳相比，能提供更高的放电平台、峰值功率和放电容量。

作者简介

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广东工业大学新型电池研究所由施志聪教授于2014年创建，成员有教授和副教授6人，博士后和博士生7人，硕士生36人，主要开展新型锂离子电池、锂硫电池、固态电池、镁海水电池、镁空气电池、锌空气电池、电解水制氢等能量储存和转换器件的关键材料的基础研究和产业化应用技术开发，承担国家自然科学基金项目、科技部国家重点研发计划“新能源汽车”专项重点项目、广东省科技厅产学研合作“新能源汽车”重点项目和知名电池企业委托项目20多项。

原文链接

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.2c14939

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