Small:离子液体/热/磁多策略协同构筑高效电催化剂

电催化剂的氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)性能在水系金属-空气电池中至关重要,直接影响了电池电化学性能。锌-空气电池由于其高安全性、高稳定和高容量等特征,被认为是下一代储能器件中的候选电池。然而,锌空电池高的放电过电位和低功率密度,限制了其在高功率装置中的应用。开发实用的锌-空气电池面临的主要挑战是设计制备高功率性能的高效电催化剂。科研人员们已经做了很多努力,相继报道了新型贵金属催化剂、过渡金属催化剂、MOFs基催化剂、单原子催化剂。研究者对于具体的生长机理的研究相对较少。由于多数碳基催化剂需要高温碳化,高温条件对催化剂的影响迫切需要可行的研究方法。此外,锌-空气电池的开放式特征和以空气为氧源限制了其高功率和低氧/非氧环境中的应用。

合肥工业大学刘节华教授团队和中国科学院上海微系统与信息技术研究所张念副研究员、刘啸嵩研究员团队合作,报道了一种简单的离子液体/热/磁多策略协同路线,规模化合成了低成本高活性的双功能电催化剂。通过DMEA基离子液体调控,规模化制备了ZIF-ZnCo超细纳米晶(~50 nm),进一步通过高温热解与锌挥发,实现了开放的Co的扩散路径,并在加热线圈的电磁效应诱导形成豆荚结构的超细Co-NC纳米管。值得一提的是,该工作利用超细颗粒的灵活性,首次证实了电磁效应对Co-NC基催化剂生长的影响。该催化剂具有高效的ORR反应活性(Eonset=1.02 V),E1/2=0.91 V)和OER中的低过电势(Ej = 10=1.56 V),进一步在锌空气电池和Zn-H2O2电池中实现了高性能应用,并在Zn-H2O2电池中取得了超高的功率密度(442 mW cm2)。该工作对高效非贵金属电催化剂的设计具有重要的启发意义,也为安全水下动力储能装置提供了全新的候选方案。

图1. 基于不同催化剂的锌空气电池性能。

图2. Zn-空气电池和Zn-H2O2电池性能。

致谢

特别致谢上海光源BL11B李炯教授对该工作提供测试帮助。上述研究工作得国家自然科学基金项目(U1832136/U1632269/21303038/11905283),中央高校基本科研业务费专项资金和安徽省百人计划项目资助。

论文信息:

Multi-Strategy Architecture of High-Efficient Electrocatalysts for Underwater Zn-H2O2 Batteries with Superior Power Density of 442 mW cm2

Cuiyu Yue, Nian Zhang, Zhenjiang Zhu, Peng Chen, Fancheng Meng, Xiaosong Liu, Xiangfeng Wei, Jiehua Liu*

Small

DOI: 10.1002/smll.202106532

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202106532