Advanced Science: 首次报道源自氧化石墨烯的氮掺杂碳纳米管包覆铁钴合金用于锌空电池空气电极双功能催化剂

锌-空气电池是一种极具应用前景的能量转换技术,其具有理论能量密度高(1086 Wh kg-1)、经济可行性、环境友好性、优异的安全性以及在碱性溶液中良好的耐久性等优点。该电池在充放电过程中,电极上分别发生氧析出反应(OER)和氧还原反应(ORR),这两个过程均涉及四电子转移,存在反应动力学缓慢的问题,导致可充电锌-空气电池的大规模应用受到限制。开发双功能催化剂同步提高OER和ORR的反应速率是解决上述问题的最有效方法。通常,贵金属Pt被认为是最佳的ORR催化剂,而Ru、Ir及其对应氧化物RuO2和IrO2则被认为是高效的OER催化剂。然而,贵金属自然丰度低、价格昂贵、耐久性差,且现存的贵金属无法同时促进OER和ORR反应。因此,探索成本低廉、且具有双功能的催化剂,对推动可逆锌-空气电池的发展至关重要。

【文章简介】

近日,浙江理工大学蒋仲庆教授、太原理工大学郝晓刚教授、华南理工大学蒋仲杰教授等人在Advanced Science上报道了一种新的方法来生产嵌入N、P共掺杂碳包覆的N掺杂碳纳米管的FeCo合金纳米颗粒 (NPC/FeCo@NCNTs)。其中NCNTs由氧化石墨烯纳米片和三聚氰胺衍生而来。本文主要以氧化石墨烯为碳源,首先合成了FeCo合金纳米颗粒嵌入型氮掺杂碳纳米管(FeCo@NCNT),进一步在氮掺杂碳纳米管上包覆氮磷共掺杂碳层,得到NPC/FeCo@NCNT复合材料。该催化剂在OER和ORR方面均表现出理想的电催化活性,当电流密度为10 mA cm-2时,OER过电位为339.5 mV,ORR起始电位为0.92 V。研究发现随着结构的演变,双功能催化性能逐步提升。同样,该催化剂在液体(图2)和固态及柔性固态锌-空气电池(图3)中具有很好的实际应用价值。本论文的第一作者为郝晓琼博士。

图2. 液态锌-空气电池性能

图3. 固态及柔性固态锌-空气电池

【总结与展望】

本研究设计了一种新颖的方法,合成了具有特殊结构的NPC/FeCo@NCNT催化剂,其中FeCo颗粒嵌入在氮掺杂碳纳米管内部,NPC层包覆在氮掺杂碳纳米管外。具体而言,NPC/FeCo@NCNT的制备是通过煅烧三聚氰胺-GO-PS-Fe-Co复合物来实现的,在此过程中PSs的分解产生含碳气体,含碳气体在零价Fe和Co的催化下反应生成碳材料,使石墨烯片卷曲形成碳纳米管,并在碳纳米管中生成节点。同时,三聚氰胺的热解导致N掺杂到CNTs的石墨化结构中,形成竹节结构的NCNTs。当将其用作OER催化剂时,在电流密度为10 mA cm-2,NPC/FeCo@NCNT的过电位只需339.5 mV的。当用作ORR催化剂时,NPC/FeCo@NCNT的开路电位为0.92 V。其双功能催化活性高于贵金属Pt/C+RuO2复合催化剂,并超过了大多数已报道的双功能催化剂。铁钴颗粒、氮掺杂碳纳米管、氮磷共掺杂碳之间的互相耦合作用是提高NPC/FeCo@NCNT催化性能的关键因素。此外,NPC/FeCo@NCNT在液体和全固态锌-空气电池中具有很大的应用前景。

论文信息

NDoped Carbon Nanotubes Derived from Graphene Oxide with Embedment of FeCo Nanoparticles as Bifunctional Air Electrode for Rechargeable Liquid and Flexible AllSolidState ZincAir Batteries.

Xiaoqiong Hao, Zhongqing Jiang*, Baoan Zhang, Xiaoning Tian, Changsheng Song*, Likui Wang, Thandavarayan Maiyalagan, Xiaogang Hao*, Zhong‐Jie Jiang*

Advanced Science

DOI: 10.1002/advs.202004572