哈工大&滑鐵盧大學《AFM》:新策略!鋅空氣電池高效催化劑

2020-12-22 孜然學術

編輯推薦：本文中，通過在Fe-MIL-88B衍生的1D Fe2O3納米棒表面原位聚合吡咯，製備了具有層級微/介孔結構的1D鐵/氮摻雜碳納米棒（Fe/N CNR）。該研究提供了一種非常有前途的ORR催化劑，而且為設計用於能量轉換和儲存應用的1D多孔材料提供了一條新的途徑。

日益嚴重的能源危機和環境汙染問題推動了，對包括燃料電池和金屬空氣電池在內的有吸引力的能量轉換和儲存裝置的追求。鋅空氣電池因其理論比能量密度高、零汙染排放、低成本和安全而特別受到關注。金屬氮摻雜碳材料極具吸引力，特別是，Fe-N-C材料被譽為各種M-N-C材料中最具有潛力的材料。然而，最先進的Fe-N-C材料與Pt/C進行比較時，仍然存在相當大的活性差距。

哈爾濱工業大學王振波教授、趙雷博士和滑鐵盧大學陳忠偉教授，開發了一種獲得1D多孔鐵/含氮碳納米棒的新策略，該策略通過吡咯單體在棒狀1D Fe2O3模板表面上的原位聚合然後熱解來實現。相關論文以題為「Self-Templated Hierarchically Porous Carbon Nanorods Embedded with Atomic Fe-N4 Active Sites as Efficient Oxygen Reduction Electrocatalysts in Zn-Air Batteries」發表在Advanced Functional Materials上。

論文連結

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202008085

研究結果表明， Fe2O3納米棒不僅部分溶解生成Fe3+引發聚合，而且在聚合過程中作為模板形成1D結構。此外，吡咯塗覆的Fe2O3納米棒結構防止多孔結構坍塌，並保護鐵在碳化過程中不聚集產生Fe-N4部分。所獲得的Fe/N-CNRs顯示出優異的氧還原反應ORR活性(E1/2 = 0.90V)和令人滿意的長期耐久性，超過Pt/C。此外，Zn-空氣電池顯示出前所未有的Fe/N-CNRs催化性能，包括優異的最大功率密度(181.8mW cm2)、比容量(998.67 W h kg1)和超過100小時的長期耐久性。該研究不僅提供了一種非常有前途的ORR催化劑，而且為設計用於能量轉換和儲存應用的1D多孔材料提供了一條新的途徑。

圖1a展示了Fe/N-CNRs的合成工藝。首先，棒狀Fe2O3模板是通過Fe-MIL-88B在空氣中氧化獲得的。此後，將Fe2O3模板分散在乙醇溶液中，然後引入吡咯單體。加入鹽酸後，引發吡咯單體的原位聚合。通過使用Fe2O3，部分未溶解的Fe2O3均勻地嵌入到聚合物中，聚合後形成嵌入Fe2O3的聚吡咯納米棒(Fe2O3-PPy-NRs)。圖1b顯示棒狀Fe-MIL-88B材料具有均勻的長度≈ 1.2um和直徑≈ 170 nm。尺寸略微減小(長度約為1 um，直徑約為70nm)(圖1c)。聚合後，所製備的Fe2O3-PPy-NRs繼承了Fe2O3模板的棒狀結構，比聚合前的Fe2O3-PPy-NRs具有更寬的直徑≈ 160 nm和更粗糙的表面，並且富含均勻分布的聚吡咯(PPy)納米粒子(圖1d)。

圖1 a)Fe/N-CNRs合成過程圖解。碳、鐵、氮、氫和氧原子分別用灰色、橙色、藍色、白色和紅色表示。TEM圖像分別是b) Fe-MIL-88B，c) Fe2O3，d) Fe2O3-PPy-NRs，和e) Fe/N-CNRs；f)Fe/N-CNRs的HRTEM圖像(圖1f中的插圖是其相關的SAED模式)；g) Fe/N-CNRs的AC HAADF-STEM圖像(黃色圓圈中的亮點是鐵原子)；h) HAADF-STEM圖像和i)Fe/N-CNRs的相關碳、氮和鐵元素分布。

圖2 a)Fe/N-CNRs、N-CNRs和Fe/N-CNRs-NW的XRD圖譜；b) N2吸附-解吸結果，以及c)Fe/N-CNRs, N-CNRs和Fe/N-CNRs-NW的孔徑分布結果；d)Fe/N-CNRs, Fe/N-CNRs-NW , 和N-CNRs的N 1s能譜；e)Fe K-edge XANES光譜和f)包含Fe/N-CNRs以及參考樣品的傅立葉變換鐵K邊緣EXAFS光譜。

圖3 在氬氣和氧氣飽和的0.1 m KOH下，50 mV s1的Fe/N-CNRs循環CV測試；b)在旋轉圓盤電極(1600轉/分)上，在O2飽和的.1 m KOH中對這些樣品進行SCV試驗；c) 包含這些催化劑的E1/2和Jk@0.85V結果；d)不同轉速下Fe/N-CNRs的SCV試驗，以及e)相關的K-L曲線(0.34–0.59伏)；f) H2O2產量以及Fe/N-CNRs和Pt/C的電子轉移數；g)樣品的Tafel斜率；h)在氧飽和0.1 m KOH (1600轉/分)中，Fe/N-CNRs和Pt/C在0.793V下的計時電流響應；和i)在0.1 m KOH (0.6-1.0V)中進行5000次循環的耐久性試驗前後，Fe/N-CNRs的SCV結果。

圖4 a)一次Zn空氣電池的圖形表示；b)Fe/N-CNRs-和Pt/C基Zn空氣電池的極化和功率密度結果；c)10 mA cm2Fe/N-CNRs和Pt/C基電池的比容量結果(按質量換算為消耗的鋅陽極)；d)用萬用表測量的Fe/N-CNRs基Zn空氣電池開路電壓的照片；e)由兩個系列的鋅空氣電池供電的紅色發光二極體的照片，使用Fe/N-CNRs催化劑；f)通過補充鋅陽極和電解液(10mA·cm-2)充電的Fe/N-CNRs基電池的長期耐久性試驗；和g) Pt/C基電池的恆電流放電試驗。

總的來說，該方法使用1D Fe2O3納米棒作為模板，製備具有分級微孔和中孔的1D鐵/氮摻雜多孔碳納米棒。該研究不僅提供了一種非常有前途的ORR催化劑，而且為設計用於能量轉換和儲存應用的1D多孔材料提供了一條新的途徑。（文：8 Mile）

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