Small:Co(OH)2@NC纳米片阵列复合催化剂构建高性能锌-空气电池

持续增长的全球能源需求以及日益显著的环境污染问题,是人类社会面临的两大重要挑战,开发高效、安全、低碳、清洁可再生能源对实现可持续社会发展具有重要意义。可充电锌-空气电池具有高理论能量密度、低成本、高安全性等优势,在智能电网规模化储能、电动汽车、便携电子器件电源等领域具有重要的应用前景。然而锌-空气电池在充、放电过程中,空气电极析氧反应(OER)和氧还原反应(ORR)反应动力学过程缓慢,充/放电电位差较大、导致循环稳定性差、能量效率较低等问题,严重制约了锌-空气电池的应用。因此,设计具有优异OER/ORR双功能活性的空气电极是提高锌-空气电池综合性能的关键。

近日,同济大学物理科学与工程学院程传伟教授课题组通过结合金属有机框架化合物高温碳化、酸蚀、金属有机框架化合物自转化等策略,报道了一种氮掺杂碳纳米片负载的超薄氢氧化钴纳米片阵列型OER/ORR双功能电催化剂(Co(OH)2@NC)。

图一 | Co(OH)2@NC(a)制备流程示意图 (b-d) SEM图像

作为锌-空气电池自支撑空气电极构筑液态和柔性准固态锌-空气电池。该空气电极具有以下优势:(一)三维分层复合结构提供多个OER/ORR活性中心,高孔隙率、高比表面积特性可以在OER和ORR反应过程中暴露更多活性位点;(二)表面超薄Co(OH)2纳米片在OER过程中具有较短的离子扩散长度和快速的传质过程,可提升OER催化活性且不会影响氮掺杂碳的ORR反应活性;(三)该阵列结构催化剂可以直接用于锌-空气电池中的空气正极,无需使用粘合剂,同时具有优异的机械稳定性和柔韧性。

图二 | (a-c) Co(OH)2@NC电化学测试性能 (d-e)液态锌-空气电池性能(f-h)固态锌-空气电池性能

电化学性能测试表表明,Co(OH)2@NC能够同时实现优异的OER(E10=1.52 V)和ORR(E10=0.83 V)性能。与商用贵金属催化剂和对照样品相比,Co(OH)2@NC的双功能电位差得到了显著降低(ΔE=0.69 V),且拥有良好的电化学稳定性,与同类电催化剂相比,Co(OH)2@NC具有一定优势。当Co(OH)2@NC作为自支撑电极用于液态锌-空气电池时,液态电池器件具有较高的放电比容量(798.3 mAh gZn-1)和较长的工作寿命,电池器件的能量效率约56%。此外,在柔性、固态锌-空气电池测试中,基于Co(OH)2@NC的电池器件具有1.35 V的平均开路电位,以及775.0 mAh gZn-1的放电比容量。该研究表明,设计多活性位点的复合结构氧电催化剂可以有效提升催化剂的双功能氧电催化活性和锌-空气电池综合性能。

论文信息:

Ultrathin Co(OH)2 Nanosheets@Nitrogen-Doped Carbon Nanoflake Arrays as Efficient Air Cathodes for Rechargeable Zn–Air Batteries

Yijie Wang, Aoshuang Li, Chuanwei Cheng*

Small

DOI: 10.1002/smll.202101720

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202101720