Small:可呼吸的蜂窝状大孔氮掺杂碳限域钴纳米颗粒助力锌空电池和全解水中三相界面传输

1、研究背景:

全球不断增长的能源需求和环境污染问题,促使人类开发高效、可持续的能量转换和存储设备。目前已开发的清洁能源系统如燃料电池、可充金属空气电池和水电解装置等主要依赖于三个关键的电化学半反应:氧还原反应(ORR)、析氧反应(OER)和析氢反应(HER)。然而,这些电化学反应具有缓慢的动力学和较高的过电位,严重限制了器件的效率。近年来,氮掺杂碳复合过渡金属纳米材料受到广泛关注,被认为是锌-空气电池和水电解最有前途的候选材料之一。然而,直接将活性过渡金属材料沉积在氮掺杂的碳基体上往往会导致金属纳米颗粒的团聚或流失。因此,设计先进的纳米结构对于发展高效且持久的三功能电催化剂具有重要意义。

2、文章概述:

浙江师范大学胡勇教授课题组采用“MOF原位溶出-限域生长MOF”策略,成功合成了蜂窝状大孔氮掺杂碳限域钴纳米颗粒(Co@HMNC)催化剂,实现对材料从结构到活性位点的多尺度调控。得益于材料独特的有序大孔通道和“瓶中船”结构的限域效应,Co@HMNC催化剂在ORR/OER/HER三方面均展现出优异的催化性能,其ORR半波电位为0.90 V,在电流密度10 mA cm-2下OER过电位为318 mV,析氢过电位为51 mV。同时,基于Co@HMNC的液态锌空电池具有高的比容量859 mAh gZn-1,出色的功率密度198 mW cm−2,和优异的循环稳定性(375 h)。

3、图文导读:

本研究提出“MOF原位溶出-限域生长MOF”的策略制备了Co@HMNC催化剂。合成示意图如图1所示。首先以二氧化硅纳米球为硬模板,通过自组装合成了SiO2@ZIF。然后通过高温热解以及碱刻蚀除去硬模板,成功制备了Co基三维蜂窝状大孔碳复合材料(Co-ZHMNC)(图2 a-b)。利用纳米孔的限域效应以及在酸性环境下溶出的Co纳米颗粒与加入的有机配体2,2’-联吡啶-5,5’-二甲酸(H2bpydc)的配位作用,原位生成了大孔限域的Co-MOF。最后经过热解合成了蜂窝状大孔氮掺杂碳限域钴纳米颗粒(Co@HMNC)催化剂(图2 c-d)。实验结果表明,两步MOF生长策略可以确保大量的氮掺杂碳包覆的钴纳米粒子固定在大孔的内壁上,即使在Co含量较高时(29.56 wt.%)时,纳米粒子仍然展现出良好的均匀性,一方面有利于暴露更多的活性位点,另一方面阻碍金属的流失和团聚。此外,相互交联且贯通的多孔蜂窝状碳骨架,提供了较大的比表面积和直接的扩散路径,为电子转移和物质传输提供了快速通道,加速催化反应动力学。得益于独特的结构和丰富的活性位点,Co@HMNC催化剂显示了优异的ORR/OER/HER三功能电催化性能。催化剂的ORR半波电位为0.90 V,在电流密度10 mA cm-2下OER过电位为318 mV,析氢过电位为51 mV(图3)。同时,基于Co@HMNC的液态锌空电池具有出色的高功率密度198 mW cm−2,充放电工作时间可以超过375小时。组装的碱性水电解槽在10 mA cm−2的电流密度下电压为1.64 V,其稳定性可达50小时(图4)。此项研究对三功能电催化剂的可控制备具有良好的借鉴意义。

图1. “MOF原位溶出-限域生长MOF”策略制备Co@HMNC催化剂的合成示意图。
图2. (a-b) Co-ZHMNC催化剂的SEM图; (c-d) Co@HMNC 催化剂的SEM图。
图3. Co@HMNC催化剂的ORR、OER和HER性能。
图4. Co@HMNC基的液态、固态锌空电池以及全解水性能。

通讯作者简介

胡勇,浙江师范大学二级教授、博士生导师,浙江省首批“万人计划”科技创新领军人才,浙江省有突出贡献中青年专家。主要从事于功能纳米异质组装体的基础研究,在构筑方法、组装设计、基于微结构的性能表征与应用探索及协同增强效应等领域取得了一定的研究进展。设计合成了一系列新型、高效、具有应用前景的光电功能纳米复合材料,开展了不同类型的异质功能纳米复合材料的可控合成、功能优化及协同增强效应研究。目前已发表SCI论文120余篇,ISI检索被他人论文引用6500余次。其中以通讯作者身份在化学、材料领域国际重要期刊,如:Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., Adv. Mater., Nano Energy, Small, Appl. Catal. B-Environ.等上面发表一系列文章,16篇论文入选ESI高被引论文,4篇入选热点论文,1篇入选2018年中国百篇最具影响国际学术论文,撰写英文著作章节3篇,获授权发明专利12件。以第一完成人获浙江省自然科学二等奖2项和浙江省高等学校科研成果奖三等奖1项。担任浙江省化学会理事、国际杂志《International Journal of Theoretical and Applied Nanotechnology》副主编。

论文信息:

Accelerating Triple Transport in Zinc-Air Batteries and Water Electrolysis by Spatially Confining Co Nanoparticles in Breathable Honeycomb-Like Macroporous N-Doped Carbon

Haiyan Wang, Yakun Jiao, Saijun Wang, Pengcheng Ye, Jiqiang Ning, Yijun Zhong, Yong Hu*

Small

DOI: 10.1002/smll.202103517

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202103517