东华大学丁彬教授团队AM:静电纺丝合成具有优异ORR和OER性能的新型催化剂

能源电池材料技术 新材料技术
纳米纤维材料    2021-01-07    925

  随着可穿戴电子设备的快速发展,迫切需要先进的电源。与先进的锂离子电池相比,可充电锌空气电池(ZAB)具有低成本,高能量密度,良好的安全性和环境友好性。然而,空气电极上氧气催化反应的缓慢动力学仍然对ZAB构成挑战。商业ORR和OER催化剂主要依赖于Pt和Ru/Ir的贵金属,但是这些贵金属的稀缺性和耐用性差催化剂阻碍了ZAB的大规模生产和广泛应用。

  对于含有固有缺陷的碳或非金属原子掺杂剂的碳,催化性能中等,没有很大的改进空间。对于金属催化剂而言,目前报道的合成孤立金属原子并使其在碳骨架中均匀分布的方法较为复杂,且金属负荷量均小于10 wt %。此外,较大原子团簇的金属原子由于其较高的表面能,在化学反应过程中容易发生重构,稳定性不理想。为氧还原和析氧反应(ORR/OER)设计稳定高效的低成本电催化剂是一个挑战。

图片.png  鉴于此,东华大学丁彬教授和闫建华老师团队报道了一种碳基磁性催化纳米笼双功能催化剂,仅需施加中等强度(350 mT)磁场即可直接提高氧催化活性。采用静电纺丝法将金属钴纳米点(≈10 nm)原位掺杂到大孔碳纳米纤维中,制备出高孔隙率90%、电导率为905 S m?1的催化剂。外加磁场使钴被磁化成具有高自旋极化的纳米磁网,促进了氧中间体的吸附和电子转移,显著提高了催化效率。有趣的是,令人印象深刻的是,ORR的半波电位增加了20 mV,而OER在10 mA cm?2处的过电位减少了15 mV。与商业化的Pt/C+IrO2催化剂相比,磁性催化的锌空气电池的容量是普通电池的2。5倍,续航时间超过155小时。研究结果指出了利用电磁感应提高氧催化活性的一种很有前途的策略。相关研究成果以“Direct Magnetic Reinforcement of Electrocatalytic ORR/OER with Electromagnetic Induction of Magnetic Catalysts”为题目发表于期刊《Adv。 Mater》上。

图片.png  图1 MCN的合成工艺及氧催化活性的磁增强机理。a)采用溶胶-凝胶静电纺丝和热解法制备柔性MCN的示意图。b)在ORR和OER中实施磁增强的说明。c) Co从低自旋到高自旋的电子跃迁。d)析氧和还原反应中的四电子转移过程。

图片.png  图2。材料表征。a)MCN膜的横截面图,插图是在弯曲状态下的柔性MCN膜。b)纤维MCN的表面图像,插图是一个尺寸约为10 nm的单个Co-纳米点。c)MCN的TEM图像,其中钴纳米晶充分结晶。d)PCNF和MCN的XRD图。e)MCN中Co 2p光谱的XPS。f)MCN和PCNF催化剂膜的VSM曲线。g,h)PCNFs和MCN的N2吸附-解吸等温线。i)PCNF和MCN的拉曼光谱。

图片.png  图3。 双功能电催化活性测量和磁场效应。a)MCN和Pt/C电极的CV曲线。b)ORR和c)OER的MCN,PCNF和Pt/C电极的LSV曲线。d)ORR和e)OER在有磁场和无磁场的情况下MCN电极的LSV曲线。f)磁场下MCN电极的ORR和OER耐久性。g)磁场下不同转速下的LSV曲线。h)MNC,PCNF和Pt /C电极和i)MNC,PCNF和IrO2电极的塔菲尔图。

图片.png  图4。 磁场下可充电ZAB的电化学性能。a)在磁场下工作的锌空气电池的示意图。b)MCN和Pt/C + IrO2基ZAB的放电极化曲线和功率密度。c)MCN和基于Pt/C +IrO22的ZAB在10 mA cm-2处的比容量。d)MCN和基于Pt/C +IrO2的ZAB在2 mA cm-2下的长期循环性能。基于MCN的ZAB在e)10 mA cm-2和f)2 mA cm-2的某些特定电压曲线。g)基于MCN和Pt/C + IrO2的ZAB的极化电压分布;h)示范使用三个电池组来点亮6个灯泡。

  论文链接:https://doi。org/10。1002/adma。202007525

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