基于鸡蛋衍生的介孔碳微球作为双功能产氧和氧还原电催化剂

可充电式锌-空气电池由于其较高的能量密度,是一类具有重要发展前景的储能器件。其中产氧和氧还原反应是该类电池的核心:在放电过时,氧分子被还原而金属被氧化至电解质中,而反之为充电过程。产氧和氧还原反应的效率问题是锌空气电池的最大挑战之一。高效的双功能产氧和氧还原催化剂无疑对上述两个过程的高效进行提供了可能。而目前的贵金属基的催化剂虽效率较高,但其价格和使用寿命的两大缺陷极大地限制了其作为该类催化剂的应用。

近期报道表明,生物基介孔碳材料可作为双功能催化剂用于产氧和氧还原催化反应中。通常认为,碳材料能够有效应用于该类反应,是由于外来杂原子的掺杂可引起其电子结构变化而提高其催化性能。但体系外的杂原子掺杂通常兼容性不好,导致其掺杂比例不高以及均匀度较差,从而影响催化剂的实际效果。

Aenm—zhenggengfeng

近期,复旦大学先进材料实验室和化学系的郑耿锋教授课题组,利用环境友好的鸡蛋生物质作为原材料,通过一步温和、高通量的喷雾干燥方法,制备出一种具有介孔结构的微米碳球。由于鸡蛋中具有丰富的氨基酸,卵磷脂以及胆固醇等,同时制备过程中加入了正硅酸乙酯作为造孔剂,因此在形成溶胶、喷雾干燥后制备出的碳球为多种元素(N,P,O,Fe等)共掺杂的介孔碳微球。该掺杂碳微球作为双功能的产氧和氧还原催化剂,表现出了较低的起始电位、较高的电流密度,以及较小的塔菲尔斜率和较好的稳定性。此外,作者们将该双功能催化剂作为电极材料,应用于可充电式锌-空气电池中,在三十个充放电循环后,仍保持1 V以上的输出电压。该工作为开发生物基碳材料在能源的高效存储和利用等方向提供了更多的思路。同时,该类自掺杂的介孔碳微球材料在其它研究应用领域,如锂离子电池、超级电容器、吸附等方面,也具有潜在的应用前景。

相关论文发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201600794)上,第一作者为复旦大学博士吴昊,指导教师为郑耿锋教授。

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