Advanced Materials:一种活性指标ΔE = 0.63 V的双功能ORR/OER电催化剂

作为下一代储能器件,水系锌–空气电池具有安全性高、环境友好、理论能量密度高(1086 Wh kg−1)等优点。更重要的是,不同于传统封闭式电池,锌–空气电池正极侧具有足量的活性物质,包括充足的氧气供应与电解液中高度可溶的氢氧根离子,使得锌–空气电池具有实现大电流、高容量、长循环的潜力。然而,其正极侧发生的氧还原和氧析出反应(ORR / OER)的动力学十分缓慢,需要高活性的双功能电催化剂以加快反应动力学。因此,双功能催化剂的性能(通常以ΔE衡量,ΔE=E10E1/2E10为OER达到10 mA cm−2的电位,E1/2为ORR半波电位)直接关系到锌–空气电池的实际性能。目前,双功能催化剂的ΔE指标已推进至0.70 V左右。然而,对于双功能催化活性仍有待进一步提升,以充分发挥锌–空气电池的本征性能优势。

近日,北京理工大学李博权团队与清华大学张强课题组合作,实现了双功能催化剂在性能指标上的新突破。研究者将原子级分散的Co–N–C位点与颗粒状NiFe LDH位点进行有效整合,并由此开发了具有超高双功能活性的复合型电催化剂(CoNC@LDH)。该双功能催化剂的ORR与OER性能指标分别为E1/2 = 0.84 V及E10 = 1.47 V,从而实现了ΔE = 0.63 V的超高双功能催化性能。该性能不仅超越贵金属基催化剂(ΔE = 0.77 V),且相比于目前已报道的双功能催化剂(ΔE 普遍大于 0.70 V)具有显著的领先优势。

具有超高活性的CoNC@LDH赋予了锌–空气电池以优异的电化学性能。具体地,该电池可在10 mA cm−2的电流密度下达到3600圈以上的超长循环寿命,并保持稳定的充/放电电压差(0.76 V)。基于CoNC@LDH的锌–空气电池也展现出在100 mA cm−2的超高电流密度下的循环可行性。与已报道的工作相比相比,基于CoNC@LDH的锌–空气电池在循环周期、电流密度、能量效率(充放电极化)等方面表现出了全面的性能优势,成功地将锌–空气电池的适用工作条件扩展到了高电流密度与长循环寿命的范围。该工作不仅为复合型多功能催化剂的理性设计与开发提供了新的思路,而且为锌–空气电池面向高电流、大容量、长循环的实际应用提供了新的机遇。

相关工作发表在Advanced Materials上(论文信息附后)。清华大学博士研究生赵长欣和刘嘉宁为论文的共同第一作者。

论文信息:

A ΔE = 0.63 V Bifunctional Oxygen Electrocatalyst Enables High-Rate and Long-Cycling Zinc–Air Batteries

Chang-Xin Zhao, Jia-Ning Liu, Juan Wang, Ding Ren, Jia Yu, Xiao Chen, Bo-Quan Li,* and Qiang Zhang

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202008606