探索和开发低成本超长寿命高性能的氧还原反应非贵金属催化剂(ORR)以取代铂基催化剂用于电化学能量转换装置仍然是一个巨大的挑战。尽管有几种非贵金属催化剂(N掺杂石墨烯过渡金属纳米粒子单原子金属氮碳等)。虽然与商用铂碳相比，它们的催化性能可以媲美现有催化剂，但它们的长期耐用性，特别是在苛刻的电解液中的耐久性，在实际应用中仍然不能令人满意。来自湖南大学中国农业大学和剑桥大学的学者合成了一种的Fe3CNG催化剂，并对其进行了研究，以了解其在锌空气电池中的催化降解行为。实验分析和理论计算表明，由于Fe3C量子点提供了快速的电子转移到NG的价带，由Fe3C量子点和N掺杂石墨烯碳(Fe3CNG)形成的MottSchottky异质结提高了ORR。分子动力学模拟表明，在腐蚀性极强的电解液中，NG中的石墨烯结构相对稳定，避免了Fe3C量子点的腐蚀。将锌/石墨烯复合薄膜与固体电解液相结合，优化后的含Fe3CNG催化剂的锌空气电池具有高开路电压1.506V，高能量密度706.4Whkg1,以及长达1000h的长期稳定性。相关文章以“NonNobleMetalCatalystandZn/GrapheneFilmforLowCostandUltraLongDurabilitySolidStateZnAirBatteriesinHarshElectrolytes”标题发表在AdvancedFunctionalMaterials。论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202200397图1.Fe3C@N/MCHS和Fe3CNGMottSchottky异质结制备示意图.图2.所制备的Fe3C@N/MCHSS的形态特征：a)扫描电子显微镜图像；b)电子显微镜图像；c，d)高分辨电子显微镜图像；以及e)典型的电子显微镜图像和相应的CNO和Fe元素映射；f)C和Fe元素的组合映射图像；g)亮场和h)暗场电子显微镜图像；i)相应的NG和Fe3C的HAADFSTEM图像。图3.a）镍泡沫上Fe3C@N/MCHSs阴极的制造工艺，b）固态电解质的制备，c）柔性Zn/石墨烯阳极电极的制备。图4.a)商用Pt/CN/MCHSS和Fe3C@N/MCHSS在N2和O2饱和的0.1MKOH中以50mV/s的扫描速率的CV；b）在O2饱和0.1MKOH下，在1600rpm转速下各种电催化剂的LSV；c)在O2饱和的0.1MKOH中的Fe3C@N/MCHSS在不同的转速下的LSV和(插图)相应的KL曲线；d)用于甲醇交叉试验的商用铂/C和Fe3C@N/MCHSS的计时电流曲线；f)与最先进的单一催化剂的比较；g)锌空气电池示意图；h)开路电压；i)速率性能；j)比容量；k)功率密度和l)具有铂碳和Fe3C@N/MCHSS催化剂的锌空气电池的充放电循环次数。图5.Fe3C@NG的莫特肖特基异质结示意图：a）接触前和b）接触后;c）ORR机制;d，e）Fe3C@NG模型的电荷分布;f）Fe3C@NG模型上的ORR过程;g）示意图能量溢出和h）G，NG，Fe3C和Fe3C@NG板的不同活性位点上ORR途径的能量变化;i）在Fe3C@NG上以不同电位下的能量跃升;j）在0.5MH2SO4溶液中Fe3C@NG的分子动力学（MD）模拟。综上所述，本文报道了一种非贵金属Fe3CNG催化剂，其催化活性和耐久性可与商用铂/碳相当，用于固态锌空气电池的实用ORR。揭示了Fe3CNG催化剂中的MottSchottky等促进了电子转移和电荷密度重分布对催化剂性能的调节作用。特别是对于Fe3CNG异质结，通过适当的设计和调节，由于莫特肖特基异质结和电荷密度的重新分布，同时实现了快速的电子转移和低能垒。分子动力学模拟表明，石墨烯层阻止了Fe3C与H3O+OH和H2O之间的接触，唯一影响降解的是石墨烯层中掺杂的N原子。通过制备锌/石墨烯复合薄膜和固态电解液，进一步解决了锌空气电池普遍存在的自腐蚀锌枝晶稳定性差等问题，优化后的Fe3CNG催化剂锌空气电池的开路电压达到1.506V，能量密度达到706.4Whkg1，长期稳定性达到1000h，向实际应用迈进了一大步。本文的工作为理解用于ORR的非贵金属Fe3CNG异质结构催化剂提供了一些新的见解，也为制造低成本高能量密度长时间循环的锌空气电池提供了新的途径。（文：SSC）本文来自微信公众号“材料科学与工程”。欢迎转载请联系，未经许可谢绝转载至其他网站。推荐阅读：欢迎微信后台回复“应聘编辑”加入我们实用！Origin软件使用经典问题集锦免费下载：18款超实用软件轻松搞科研合作投稿点击此处[Er1gF7PbJUGeb2rznpW3zw==.jpg]欢迎留言，分享观点。点亮在看材料科学与工程

2022-10-13 12:45:12

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