可逆鋅空氣電池具有價(jià)格低廉、環(huán)境友好和能量密度高(1084Wh kg-1)等優(yōu)勢(shì)，在便攜式交通工具和能量?jī)?chǔ)存器件應(yīng)用方面潛力巨大。該電池的核心組分是驅(qū)動(dòng)氧還原反應(yīng)(ORR)和析氧反應(yīng)(OER)的雙功能催化劑，但存在動(dòng)力學(xué)緩慢及循環(huán)穩(wěn)定性差等問(wèn)題。因此，發(fā)展廉價(jià)、高效的雙功能催化劑，對(duì)于推動(dòng)可逆鋅空氣電池的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。
氮化物，如Ni3FeN等，因其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和半金屬特性，在電催化氧氣還原反應(yīng)(OER)中，表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。但將Ni3FeN應(yīng)用于可逆鋅空氣電池中，面臨兩個(gè)問(wèn)題：一是氮化物的ORR活性低;二是氮化物的在合成過(guò)程(氨氣氣氛煅燒)中易團(tuán)聚，難以得到更小尺寸、更多活性位暴露的氮化物，阻礙其OER性能的進(jìn)一步提升。
近日，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所超分子光化學(xué)研究團(tuán)隊(duì)研究員張鐵銳課題組采用“一石二鳥(niǎo)”的策略，通過(guò)引入鈷氮共摻雜碳載體(Co,N-CNF)，有效減輕Ni3FeN在高溫合成過(guò)程中的團(tuán)聚問(wèn)題，從而縮小其尺寸至14nm;同時(shí)Co,N-CNF本身具備優(yōu)良的ORR性能。因此，Ni3FeN/Co,N-CNF復(fù)合物的OER性能明顯優(yōu)于貴金屬IrO2，ORR性能超過(guò)商業(yè)化Pt/C，該雙功能催化劑可實(shí)際應(yīng)用于可逆鋅空氣電池，并在高電流密度(50 mA cm-2)下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。該策略為設(shè)計(jì)和合成多功能催化劑提供了新思路，可廣泛應(yīng)用于金屬空氣電池、可充放電式燃料電池、全分解水以及其他能源領(lǐng)域。
研究結(jié)果以3D Carbon Nanoframe Scaffold-immobilized Ni3FeN Nanoparticle Electrocatalysts for Rechargeable Zinc-Air Batteries’Cathodes為題發(fā)表在Nano Energy上。
研究工作得到科技部國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家“萬(wàn)人計(jì)劃”-青年拔尖人才支持計(jì)劃、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(B類)等的支持。
Ni3FeN/Co,N-CNF復(fù)合物應(yīng)用于可逆鋅空氣電池
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