高书燕&楼雄文：氮掺杂硫钴矿蛋黄壳状空心球用于长寿命可充电锌空电池

【研究背景】

在众多可持续的能源存储和转换技术中，锌空电池以其独特的半开放式系统，较高的理论能量密度，平稳的工作电压，环境友好，安全性高等优点而备受关注。然而，电池充放电过程中发生的四电子转移反应（氧气析出和氧气还原反应）导致其动力学过程缓慢，过电势较高，能量效率低下，循环寿命差。虽然贵金属基电催化剂在氧气析出和还原反应中表现出较高的活性，但其高昂的价格，稀缺的自然储量以及催化活性的单一性和较差的稳定性严重制约了其在锌空电池中的商业化应用。因此，设计开发非贵金属基双功能电催化剂实现氧气的高效、可逆、持久运行是未来锌空电池研究的一个重要方向。在众多非贵金属氧催化剂中，过渡金属硫化物具有良好的导电性，其自身的氧化还原特性以及不饱和的过渡金属位点为氢氧根的吸附和含氧中间体的吸附提供了有利条件，因此在碱性电解质中表现出了较好的氧催化活性。

【工作介绍】

金属硫钴矿（CoS₂）作为预催化剂表现出了较好的氧析出活性，但其氧还原活性，抗氧化能力以及催化活性的稳定还有待提高。近日，新加坡南洋理工大学楼雄文教授课题组联合河南师范大学高书燕教授课题组，从催化剂活性位点的暴露以及单个位点本征活性的提高两个方面入手，设计开发了一种水热加低温硫化的简便策略，成功制备了氮掺杂硫钴矿蛋黄壳状空心球（N-CoS₂ YSSs）。不同于常规氮掺杂使用的高腐蚀性氨气氮源，该方法使用氨水作为蚀刻剂制备蛋黄壳空心结构，充分暴露活性位点的同时，也充当氮源实现对催化剂的氮掺杂，提升单个位点的本征活性，同时最大限度地确保了催化剂的蛋黄-壳结构在后续硫化过程中的完整性。得益于蛋黄壳状空心结构的稳定性和氮掺杂带来的高本征活性，该催化剂在碱性电解质中对氧析出和氧还原反应均显示出优异的电催化性能，具有较小的过电势差，快速的动力学和长期耐用性，从而使得其作为空气阴极，实现可充电锌空电池的高效的持久运行（10 mA cm^-2电流密度下持续稳定运转165 h），远超过常规贵金属基混合催化剂（Pt/C||RuO₂）。该文章于近期发表在国际顶级期刊Advanced Science上，第一作者为Xue Feng Lu博士。

【图文解析】 

图1. 合成示意图及不同阶段的形貌结构表征。 

图2. N-CoS₂ YSSs的透射电镜表征及元素分布。 

图3. N-CoS₂ YYSs的XRD及XPS数据表征。 

图4. 三电极体系下的电化学数据表征：(a-c) 不同催化剂的氧析出活性及其与文献数据的对比；(d-f) 不同催化剂的氧还原活性及其与文献数据的对比；(g) CoS₂ SSs和N-CoS₂ YSSs电化学活性面积的对比；(h) CoS₂ SSs和N-CoS₂ YSSs的电化学阻抗谱；(i) N-CoS₂ YSSs的双功能催化活性与文献数据的对比。 

图5. 不同催化剂驱动的锌空电池性能对比：(a) 开路电位, (b) 放电曲线及功率密度曲线, (c) 5 mA cm^-2电流密度下的比容量；(d-f) 10 mA cm^-2 电流密度下的稳定性数据: (e) N-CoS₂ YSSs, (f) Pt/C||RuO₂.

Xue Feng Lu, Song Lin Zhang, Enbo Shangguan, Peng Zhang, Shuyan Gao,* Xiong Wen (David) Lou,* Nitrogen-Doped Cobalt Pyrite Yolk-Shell Hollow Spheres for Long-Life Rechargeable Zn-Air Batteries, Advanced Science, 2020, DOI:10.1002/advs.202001178