Energy Technology:静电纺丝制备Fe-P/N掺杂的多级孔碳纳米纤维用于便携式锌空电池

锌空气电池以其原材料丰富和能量密度高等特点具有巨大的应用潜力,但因为电极反应的惰性致其发展一直被桎梏。寻找价格低廉并且长期稳定的高效氧还原反应(ORR)电催化剂对锌空电池的发展实为重要。在环境有好的理念下,近年来掺杂碳材料掀起了ORR催化剂材料研究的热潮,并广泛地应用于电催化及金属空气电池中。其中Metal Organic Framework (MOF)因其自身具有丰富的金属元素、含非金属杂原子的配体等特点,成为了一种重要的碳基前驱体材料。在对材料结构的不断探索创新中,MOF与低维材料的相结合又进一步添加了形貌调控的可观元素。研究发现,一维碳纳米纤维材料相互之间搭接形成的网络不仅能提供电子高质量传输通道,同时又可赋予良好的自支撑性能和柔性特征。另一方面,在与MOF的结合调控下活性位点可以均匀地排布在碳纳米纤维网格中。

同济大学材料科学与工程学院刘睿教授课题组利用静电纺丝技术制备了Fe-N/Fe-P掺杂的项链状多孔碳纳米纤维ORR催化剂(Fe-P/NHCF)。通过调节Zn/Fe-ZIF前驱体的比例,经高温碳化和磷化处理后,获得的碳纳米纤维具有空心大孔和介孔结构,而双活性位点Fe-N/Fe-P均匀掺杂在柔性碳纳米纤维材料中,同步实现了掺杂与多级孔制备过程。得益于良好的电子传输能力,适合的比表面积和高活性位点的存在,该材料不仅表现了优异的ORR和液态锌空电池性能,又可以作为自支撑材料直接用作固态电池的正极。在自组装的固态锌空测试中,Fe-P/NHCF所组成的电池提供了1.32V的开路电压。以两块串联的锌空电池为电力驱动可以点亮一个2.0 V的LED灯泡,且经过40次充放电的测试后其性能没有明显的衰减。此外,因为加入磷化处理步骤,该催化剂在酸性条件下也表现出与商业催化剂20 wt% Pt/C相当的ORR催化性能,进一步扩大了它的适用范围。

将MOF和静电纺丝结合起来的方法适用性广泛、制备方式简单、更多不同成分的材料有待挖掘。此项研究符合绿色化学的发展理念,并为设计高效稳定的ORR催化材料开辟了新路径。相关论文以“Pearl Necklace Fibrous Carbon Sharing Fe–N/Fe–P Dual Active Sites as Efficient Oxygen Reduction Catalyst in Broad Media and for Liquid/Solid-State Rechargeable Zn–Air Battery”为题,发表在Energy Technology(DOI:10.1002/ente.201901263)上,并于当期Inside Back Cover做简要介绍。