中国科学院上海硅酸盐研究所王家成教授课题组：磷化钴封装在磷富集的三维多孔碳及其双功能氧电催化性能研究

第一作者：肖瑶

通讯作者：王家成

通讯单位：西华大学理学院；中国科学院上海硅酸盐研究所，高性能陶瓷与超微结构国家重点实验室

注：此论文是“电催化”专刊邀请稿，客座编辑：中国科学院理化技术研究所张铁锐研究员、湖南大学王双印教授

引用信息

肖瑶, 裴煜, 胡一帆, 马汝广, 王德义, 王家成. 磷化钴封装在磷富集的三维多孔碳及其双功能氧电催化性能研究. 物理化学学报, 2021, 37 (7), 2009051.

doi: 10.3866/PKU.WHXB202009051

Yao Xiao, Yu Pei, Yifan Hu, Ruguang Ma, Deyi Wang, Jiacheng Wang. Co₂P@P-Doped 3D Porous Carbon for Bifunctional Oxygen Electrocatalysis. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37 (7), 2009051.

doi: 10.3866/PKU.WHXB202009051

主要亮点

本论文通过简单热处理钴盐和植酸掺杂的k-卡拉胶复合物制备出磷化钴封装在磷掺杂多孔碳(Co₂P-PCA-800) 纳米催化剂。该催化剂具有3D 分级多孔结构，表现出具有与商用Pt/C相当的半波电位(E_1/2) 0.84 V，从而满足了可充放电锌-空电池需求。同时，还制备了磷掺杂的多孔碳(PCA)和钴掺杂的多空碳(Co-CA)，对比了结构形貌对性能的影响。结果表明，该材料高效ORR和OER活性主要归功于3D蜂窝分层多孔结构和正电荷磷化钴(Co₂P)纳米颗粒的协同作用。蜂窝状3D孔结构不仅利于传质和加快电子传输也保护了磷化钴，让其更稳定。最后，使用Co₂P-PCA-800 作空气阴极催化剂组装了可充放电锌-空气电池（ZAB），并研究其性能。相比贵金属组装的电池，该催化剂组装的ZAB具有相近的充放电性能和能量密度以及更高的比容量和更好的稳定性。

研究背景：意义、现状

能源和环境问题是制约人类延续和发展的首要问题，高效廉价的能源存储和转换装置吸引了众多目光。具有便携式，功率密度高，无污染等特点的可充放电锌-空气电池(ZAB)因此受到广泛关注。然而，阴极的氧还原(ORR)和氧析出反应(OER)缓慢的动力学限制了ZAB的实际应用。开发高效，便宜，高稳定性的双功能电催化剂至关重要。将过渡金属和碳基材料复合是一种有效的途径。磷化钴(Co₂P)化合物已经广泛用作高效的OER 催化剂，但是对于其ORR活性的研究较少。本文通过几何优化和电子调节来制备了一种Co₂P基的双功能电催化剂。包裹在P掺杂的多孔碳气凝胶中的Co₂P纳米颗粒具有出色的ORR和OER活性。利用这种催化材料所组装的ZAB具有优异的比能量密度和稳定性。

核心内容

1. 通过简单热处理钴盐和植酸掺杂的k-卡拉胶复合物制备出磷化钴封装在磷掺杂的多孔碳(Co₂P-PCA-800)纳米催化剂。该催化剂具有3D分级多孔结构。

图1  a）Co₂P和Co₂P-PCA-800的XRD图谱；b,c）Co₂P-PCA-800的SEM和TEM图像；d）Co₂P-PCA-800的HRTEM图像；e）Co₂P-PCA-800的SAED图像；f）Co₂P-PCA-800的HAADF和EDS元素分布图

2. Co₂P-PSCA-800表现出优异的ORR活性和稳定性，接近于商用Pt/C。Co₂P-PCA-800的起始电位为0.97 V，半波电为0.84 V。

图2  Co₂P-PSCA-800在0.1 mol∙L⁻¹KOH中的ORR极化曲线（转速：1600rpm）。b）不同催化剂的起始电势（E_onset）和半波电势（E_1/2）

3. Co₂P-PSCA-800作为阴极所组装的锌空气电池表现出优异的电化学性能。

图3  a）使用Co2P-PCA-800作为空气阴极和Zn箔作为阳极的ZAB的示意图。b）ZAB的开路电压测试。c）Co₂P-PCA-800和Pt/C || RuO₂的放电极化曲线和功率密度。d）在10 mA∙cm^-2下Co₂P-PCA-800和Pt/C || RuO₂的恒电流放电曲线。e-f）Co₂P-PCA-800和Pt/C || RuO₂作为空气阴极的可再充电ZAB的充电/放电循环测试

结论与展望

作者报道了一种有效制备具有高性能催化活性的Co₂P-PCA-800催化剂的方法。所制备的Co₂P-PCA-800具有3D蜂窝分层多孔结构。由于高的比表面积，规则的分层孔结构以及P掺杂调节了Co₂P中Co²⁺的电子结构，因此Co₂P-PCA-800表现出出色的ORR/OER电催化活性。当用作ZAB阴极时，Co₂P-PCA-800表现出优异的充放电性能，接近Pt/C || RuO₂。相比贵金属催化剂，该催化剂所组装的ZAB具有接近的充放电性能和能量密度以及更高的比容量和更好的稳定性。这项工作也为解决能源和环境问题提供了新思路。

☎作者介绍

 王 家 成 

工学博士，研究员，博士生导师。“电催化材料与能源器件”课题组组长。中国科学院“引进海外杰出人才”及上海市优秀青年学术带头人获得者。主要从事电催化材料与能源器件方面的研究。

相关拓展

原文链接（点击左下角“阅读原文”即可访问）：

http://www.whxb.pku.edu.cn/article/2021/1000-6818/WHXB202009051.shtml