Nat. Mater. 優於鉑的氧還原催化劑-ZrN

燃料電池和金屬空氣電池的功率傳輸在很大程度上受到氧還原（ORR）反應的限制。在ORR反應中，分子氧被電化學還原並伴隨著電勢的產生。當前，最廣泛使用和最有效的ORR催化劑是Pt，然而Pt來源稀少且價格昂貴，因此人們嘗試做出很多努力，以尋求更有效地使用Pt或尋找可替代的非Pt基ORR催化劑。

【工作介紹】

近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所楊明輝教授及愛丁堡大學J. Paul Attfield教授課題組共同報導了一種氮化鋯（ZrN NPs）納米顆粒，其在鹼性環境中具有可替代甚至超過Pt的ORR的性能。測試結果顯示，作者合成的ZrN NPs具有高氧還原性能，且具有與商業Pt/C催化劑相同的活性。同時，在鋅-空氣電池中，ZrN還具有比Pt/C更高的功率密度和可循環性。

【文章詳情】

1. ZrNNPs的表徵

圖1.ZrN NPs的表徵。

作者在適當溫度下使用urea–glass策略製備出精細的ZrN NPs（圖1），得到具有立方巖鹽結構的ZrN純結晶相。該納米顆粒顯示出近球形形態，並具有大規模的化學均一性。Zr3d X射線光電子能譜（XPS）顯示，該材料暴露在空氣中會形成薄的（

2. ZrN NPs的催化性能

圖2.O2飽和的0.1 M KOH溶液中納米ZrN和Pt/C的ORR催化性能測試。

電化學實驗表明，ZrN NPs具有與商業Pt/C相當的ORR性能。循環伏安法（CV）測試顯示ZrN的氧還原陰極峰位於0.79V。兩種材料的LSV曲線非常相似，ZrN的起始電位為0.89 V，Pt/C的起始電位為0.93 V，但它們的半波電位相同（E1/2= 0.80 V）。圖2c表明，ZrNNPs在0.4–0.6 V電勢下的電子轉移係數n為3.9–4.0，接近四電子還原的理想值，並且略大於Pt/C的相應值（n≈3.8）。同時，與商用Pt/C的-39mV位移相比，ZrN在1,000個周期後的半波電位E1/2表現出約-3 mV的小位移（圖2d），這表明ZrN NP具有出色的耐久性，在鹼性介質中超過了商用Pt/C。

3. 納米ZrN或Pt/C陰極鋅空氣電池的性能測試

圖3.納米ZrN或Pt/C陰極鋅空氣電池的性能測試。

為了評估材料在實際電化學器件中的性能，作者將ZrN與Pt/C作為鋅-空氣電池的陰極進行了對比測試。這兩個電池具有相似的電壓-電流曲線（圖3a），ZrN基電池的最高功率密度為132 mW cm-2，超過了Pt/C（122 mW cm-2）。兩種電池在10 mA cm-2的電流密度下運行100小時，發現ZrN電池的電壓降幅為21 mV，比Pt/C電池（46 mV）小得多，如圖3b所示。這些結果直接證明了ZrN NPs電極在鋅空氣電池中的適用性，並且在鹼性燃料電池中有望超過Pt/C。

圖4.ZrN（111）表面結構和電子局部化函數ELFs計算。

作者隨後通過計算表明（圖4），ZrN的(111)表面是最穩定的低折射率表面，與Pt(111)表面具有非常相似的氧吸附能，這是導致高ORR活性的關鍵因素。

【全文總結】

這項工作中，作者證實了在鹼性條件下的電化學器件中，納米顆粒ZrN是一種可替代Pt的ORR高效催化劑。在電化學測試中，ZrN NPs表現出優異的活性及長期穩定性。這項工作將激發人們對廉價金屬氮化物催化劑的進一步研究，這些催化劑的活性不僅能與Pt類金屬相當，而且性能也優於Pt類金屬。