Small:集单原子钴和Co9S8于碳纳米管——三功能电催化剂用于锌-空气电池驱动水裂解

随着化石能源的逐步枯竭,锌-空电池和水裂解槽等能源转化与存储装置得到了广泛关注。然而,它们的性能受到氧还原反应(ORR)、析氧反应(OER)和析氢反应(HER)电催化剂的强烈制约。因此,亟需开发高效稳定的三功能电催化剂。催化剂的组成(活性位点种类、数量等)与结构(多孔结构、比表面积、孔径分布等)直接影响着材料的催化性能。高的比表面积以及合理的孔径分布有利于活性位点的暴露。单原子催化剂具有高的原子利用率,是使催化反应中原子效率最大化的理想催化剂,可作为高效的电催化剂。但是,单原子催化剂的性能还需进一步提高,单一种类的单原子活性位点难以同时满足ORR、OER、HER。通过单原子活性位点与其它活性位点间潜在的协同作用可进一步提升催化性能。另一方面,过渡金属硫化物常用于构建高效电催化剂,其中,Co9S8纳米粒子以其独特的结构在电催化方面展现出巨大的潜力。将单原子催化剂和Co9S8纳米粒子结合,有可能扩宽催化性能,获得高效三功能电催化剂。

近日,南昌大学袁凯教授和陈义旺教授团队开发了一种自牺牲模板策略,采用聚多巴胺包覆生长了ZIF-67的硫化锌纳米棒为前驱体,经一步热解成功制备了富集单原子CoN4和Co9S8纳米粒子的碳纳米管(CoSA+Co9S8/HCNT)。在热解过程中,ZnS作为自牺牲模板提供S源,被还原成Zn蒸汽挥发作为制孔剂,营造出具有丰富孔隙率的空心结构。通过X射线吸收精细结构谱和球差透射电子显微镜等测试证明所制备的CoSA+Co9S8/HCNT催化剂含有丰富的单原子CoN4以及Co9S8纳米粒子。因此,独特的组成和结构赋予所制备的催化剂CoSA+Co9S8/HCNT在ORR/OER/HER方面均表现出优异的催化性能和稳定性。CoSA+Co9S8/HCNT表现出0.705 V的ΔE,低于Pt + RuO2 (0.777 V)。理论计算表明,Co9S8纳米粒子与单原子CoN4的协同作用可优化CoN4活性位点的电子构型来降低反应势垒,加速反应动力学,达到同时促进ORR、OER和HER催化性能的效果。以CoSA+Co9S8/HCNT为电极材料,构建了具有高功率密度(177.33 mW cm−2)和高稳定性的锌-空气电池用以驱动高效水裂解(10 mA cm-2的电流密度下电位为1.59 V),证明具有一定的实用价值。此项研究为多功能电催化剂的制备及相关能源器件的研究提供了良好的借鉴和指导。

相关论文发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201906735)上,题为“Simultaneously Integrating Single Atomic Cobalt Sites and Co9S8 Nanoparticles into Hollow Carbon Nanotubes as Trifunctional Electrocatalysts for Zn–Air Batteries to Drive Water Splitting”。硕士研究生李毅哲为文章的第一作者,袁凯教授和陈义旺教授为共同通讯作者。