Small Methods:一种气相传输策略合成原子级分散的Mn-N-C材料作为锌空气电池催化剂

锌空气电池的高能量密度、绿色环保、安全和低成本等优点,使其成为最有潜力的新型能量转换和储存装置之一。然而,锌空气电池缓慢的阴极氧还原反应(ORR)动力学,极大地依赖Pt基贵金属催化剂,这限制了其商业化发展。近年来,在碳基非贵金属催化剂中,Mn和N共掺杂的碳基催化剂(Mn-N-C)具有优异的ORR催化活性和稳定性,是最有可能取代Pt贵金属催化剂的替代材料之一。碳基体中嵌入的原子级Mn-N4位点被认为是Mn-N-C催化剂的高效ORR活性位点。但是,目前大多数的Mn-N-C材料在碳化过程中容易团聚,产生低活性的Mn纳米颗粒,阻碍了高活性Mn-N4活性位的暴露和反应物质传输,同时许多制备方法也存在工艺复杂、产率低、制备条件苛刻等缺点。因此,合理开发简单、高效的掺杂策略制备具有优异ORR性能Mn-N-C材料作为催化剂是非常有必要的。

为此,加拿大Waterloo大学陈忠伟院士与哈尔滨工业大学化工与化学学院王振波教授课题组通过一种气相传输策略,制备出原子级Mn-N4活性位嵌入的分级多孔碳催化剂(g-SA-Mn)。该项工作的思路和亮点主要包括以下三点:(1)通过气相传输策略制备的g-SA-Mn催化剂相较于液相掺杂法,具有更高的Mn金属负载量,有利于产生更多活性位点;(2)通过该种方法,可以尽可能多的将Mn金属分布在材料表面,有利于Mn-N4活性位的高效利用;(3)该种气相传输策略具有工艺简单、设备要求低、产率高等优点,可以进行大规模合成,制备大批量原子级分散的催化剂。由于其独特的分级的微/介孔体系、高比表面和高效的原子级Mn-N4活性位点,该催化剂在碱性体系中表现出优于商业Pt/C催化剂的氧还原(ORR)活性、稳定性和锌空气电池性能(该催化剂半波电位0.90 V,峰值功率密度147 mW cm-2;Pt/C半波电位0.87 V;峰值功率密度133 mW cm-2)。

这项工作不仅制备了高效的ORR催化剂,为锌空气电池的商业化大规模应用提供了可行途径;而且为其他的能量转换和储存装置用单原子材料的合成,提供了一种新的思路。

论文信息:

A Gas‐Phase Migration Strategy to Synthesize Atomically Dispersed Mn‐N‐C Catalysts for Zn–Air Batteries

Qingyan Zhou, Jiajun Cai, Zhen Zhang, Rui Gao, Bo Chen, Guobin Wen, Lei Zhao*, Yaping Deng, Haozhen Dou, Xiaofei Gong, Yunlong Zhang, Yongfeng Hu, Aiping Yu, Xulei Sui*, Zhenbo Wang*, Zhongwei Chen*

Small Methods

DOI: 10.1002/smtd.202100024