钴氮共掺杂碳载体支撑镍铁水滑石:高效可逆锌空气电池阴极电催化剂

鉴于目前锂离子电池技术存在的能量密度有限、成本高及安全隐患等问题,全球的科研人员仍在寻找全新的更高能量密度、更低成本、更安全的下一代电池技术。近年来,金属-空气电池因为理论上比传统的锂电池具有更高的能量密度而引起广泛关注。这其中,因为锌金属储量丰富性质稳定,且水性电解质不易燃等诸多特性,可逆锌空气电池具备了能量密度高、成本低及安全性高等系列优点。

可逆锌空气电池在放电过程中,将空气中的氧气与金属锌在电解质中以电化学方式发生反应,从而产生电能和氧化锌。而在充电过程中,这一电化学反应发生逆转,生成氧气和金属锌,从而保持充放电反应的循环不断。整个循环涉及氧析出(OER)和氧还原(ORR)反应,反应过程缓慢的动力学问题制约了该电池的实际应用。因此寻找能够同时实现氧析出和氧还原反应的低成本双功能催化剂以提高充放电效率成为了可逆锌空气电池的核心技术。

非贵金属催化剂镍铁水滑石(NiFe-LDH),在电解水领域展现出较高的OER催化效率,但是其仍存在由层间堆叠导致的暴露活性位点少、导电性差等问题,无法完全展现其在OER催化中的潜力。其次,其ORR性能低下,最终导致NiFe-LDH无法直接应用于可逆锌空气电池。近期,中科院理化所超分子光化学研究团队张铁锐研究员课题组通过引入钴氮共掺杂碳骨架载体(Co,N-CNF),利用载体的掺杂原子位点促进NiFe-LDH的原位形核生长,有效分散并缩小NiFe-LDH的尺寸至3-5 nm,充分暴露活性位点,NiFe-LDH和Co,N-CNF的相互作用更有效优化了NiFe-LDH的电子结构,使该NiFe-LDH/Co,N-CNF复合物的OER性能明显优于贵金属IrO2同时,Co,N-CNF载体本身具备优良的ORR性能,与商业化Pt/C相当。该高效双功能催化剂作为可逆锌空气电池阴极电催化剂,在高电流密度(25 mA cm-2)下能够长时间高效工作。该策略为设计和合成多功能电催化剂提供了新思路,可广泛应用于可充放电式金属空气电池。相关工作已于近期发表于Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201700467)上。

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