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单活性铁基催化剂应用于可压缩可充电的Zn-空电池

析氧反应 (OER) 和氧还原反应 (ORR) 是构筑可充放电锌-空气电池的两个至关重要的化学反应过程。目前,高效的析氧以及氧还原催化剂都是贵金属催化剂 (Pt/C 或者 IrO2),但是其价格昂贵以及稳定性差严重影响了其实际应用。因此,开发成本低、催化活性高以及稳定性好的电催化剂材料成为研究重点。提高催化剂活性的策略包括:1. 增加材料本身的反应活性;2. 增加材料的反应活性位点。基于以上因素,将反应活性位点高效分散于高比表面积的多孔材料表面是提高催化剂活性的有效途径。高效的电催化剂将促进高效锌-空气电池的开发。其次,电池在使用过程中不可避免会遇到撞击,如果电池可压缩,会极大的减小撞击过程中电池的损坏。

香港城市大学的支春义老师课题组。在ACS nano上(影响因子:13.9)发表了一篇题为“Single-SiteActive Iron-Based Bifunctional Oxygen Catalyst for a Compressible and Rechargeable Zinc–Air Battery”的文章。设计合成了一种单点分散的Fe-N-C催化活性位点于氮掺杂多孔碳中的高效电催化剂以及可压缩聚丙烯酰胺水凝胶 (PAM)电解质,并将此高效电催化剂自己可压缩水凝胶电解质用于可压缩锌-空气电池,其表现出优异的机械性能以及电化学性能。研究发现,将Fe离子用2,2-Bipy络合,并将其嵌入金属有机框架材料(ZIF-8) 中,通过高温煅烧可得到Fe-N-C 活性位点以单点形式分散于多孔碳中,其具有优异的催化活性(半波电位:0.86 V for ORR, 390 mV过电位for OER)。其次,将此催化剂以及PAM可压缩水凝胶应用于固态锌-空气电池,在275倍电池重量压力下(54%压缩量)条件下,锌空气电池依然有116.7 mW·cm-2的输出功率,并且可以保持98.93%的电化学性能。

单活性铁基催化剂应用于可压缩可充电的Zn-空电池

图1. (a) 单点分散的Fe-N-C/PNC的合成示意图,(b) 可压缩PAM水凝胶结构以及(c)可压缩锌-空气电池结构示意图。

单活性铁基催化剂应用于可压缩可充电的Zn-空电池

图2.(a)Fe-N-C/PNC的SEM图像,(b-e)TEM和HR-TEM图,(f) HAADF-STEM图(i)O,Fe,C和N的元素mapping。

单活性铁基催化剂应用于可压缩可充电的Zn-空电池

图3. Fe-N-C/PNC电催化剂的电化学性能:(a)CV曲线,(b)LSV曲线在1600 rpm旋转速度条件下,(c)RRDE性能,(d, e)OER 性能,(e)双功能特性表征。

单活性铁基催化剂应用于可压缩可充电的Zn-空电池

图4. (a, b) PAM水凝胶结构表征,(c) 可压缩锌-空气电池结构表征,(d-h) 可压缩锌-空气电池电化学性能

催化剂以及可压缩锌-空气电池表现出优异的机械以及电化学性能的原因:(1)Fe-N-C 活性本身有很好的电催化活性;(2)源于生长在石墨烯表面的ZIF-8的二维多孔碳有很大的比表面积(大于1200 m2∙g-1)以及良好的导电性,将Fe-N-C活性位点分散于其表面,同时满足了高催化活性位点以及大量活性位点的条件,极大的提高了催化剂的催化活性;(3)PAM水凝胶电解质具有良好的压缩机械性能以及大的孔隙率,良好的压缩机械性能为锌-空电池提供了优异的机械性能,同时大的孔隙率有利于电解质离子传输,为锌-空电池提高了优异的电化学性能。因此,单点分散的Fe-N-C催化剂以及可压缩PAM水凝胶基锌-空气电池同时具有良好的机械以及电化学性能。

Longtao Ma, Shengmei Chen, Zengxia Pei, YanHuang, Guojin Liang, Funian Mo, Qi Yang, Jun Su, Yihua Gao, Juan AntonioZapien, and Chunyi Zhi, Single-SiteActive Iron-Based Bifunctional Oxygen Catalyst for a Compressible andRechargeable Zinc–Air Battery, ACS Nano, 2018, 12 (2), 1949–1958, DOI:10.1021/acsnano.7b09064.

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