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            單活性鐵基催化劑應用于可壓縮可充電的Zn-空電池

            單活性鐵基催化劑應用于可壓縮可充電的Zn-空電池

            析氧反應 (OER) 和氧還原反應 (ORR) 是構筑可充放電鋅-空氣電池的兩個至關重要的化學反應過程。目前,高效的析氧以及氧還原催化劑都是貴金屬催化劑 (Pt/C 或者 IrO2),但是其價格昂貴以及穩定性差嚴重影響了其實際應用。因此,開發成本低、催化活性高以及穩定性好的電催化劑材料成為研究重點。提高催化劑活性的策略包括:1. 增加材料本身的反應活性;2. 增加材料的反應活性位點。基于以上因素,將反應活性位點高效分散于高比表面積的多孔材料表面是提高催化劑活性的有效途徑。高效的電催化劑將促進高效鋅-空氣電池的開發。其次,電池在使用過程中不可避免會遇到撞擊,如果電池可壓縮,會極大的減小撞擊過程中電池的損壞。

            最近,香港城市大學的支春義老師課題組。在ACS nano上(影響因子:13.9)發表了一篇題為“Single-SiteActive Iron-Based Bifunctional Oxygen Catalyst for a Compressible and Rechargeable Zinc–Air Battery”的文章。設計合成了一種單點分散的Fe-N-C催化活性位點于氮摻雜多孔碳中的高效電催化劑以及可壓縮聚丙烯酰胺水凝膠 (PAM)電解質,并將此高效電催化劑自己可壓縮水凝膠電解質用于可壓縮鋅-空氣電池,其表現出優異的機械性能以及電化學性能。研究發現,將Fe離子用2,2-Bipy絡合,并將其嵌入金屬有機框架材料(ZIF-8) 中,通過高溫煅燒可得到Fe-N-C 活性位點以單點形式分散于多孔碳中,其具有優異的催化活性(半波電位:0.86 V for ORR, 390 mV過電位for OER)。其次,將此催化劑以及PAM可壓縮水凝膠應用于固態鋅-空氣電池,在275倍電池重量壓力下(54%壓縮量)條件下,鋅空氣電池依然有116.7 mW·cm-2的輸出功率,并且可以保持98.93%的電化學性能。

            單活性鐵基催化劑應用于可壓縮可充電的Zn-空電池圖1. (a) 單點分散的Fe-N-C/PNC的合成示意圖,(b) 可壓縮PAM水凝膠結構以及(c)可壓縮鋅-空氣電池結構示意圖。

            單活性鐵基催化劑應用于可壓縮可充電的Zn-空電池

            圖2.(a)Fe-N-C/PNC的SEM圖像,(b-e)TEM和HR-TEM圖,(f) HAADF-STEM圖(i)O,Fe,C和N的元素mapping。

            單活性鐵基催化劑應用于可壓縮可充電的Zn-空電池

            圖3. Fe-N-C/PNC電催化劑的電化學性能:(a)CV曲線,(b)LSV曲線在1600 rpm旋轉速度條件下,(c)RRDE性能,(d, e)OER 性能,(e)雙功能特性表征。

            單活性鐵基催化劑應用于可壓縮可充電的Zn-空電池

            圖4. (a, b) PAM水凝膠結構表征,(c) 可壓縮鋅-空氣電池結構表征,(d-h) 可壓縮鋅-空氣電池電化學性能。

            催化劑以及可壓縮鋅-空氣電池表現出優異的機械以及電化學性能的原因:(1)Fe-N-C 活性本身有很好的電催化活性;(2)源于生長在石墨烯表面的ZIF-8的二維多孔碳有很大的比表面積(大于1200 m2?g-1)以及良好的導電性,將Fe-N-C活性位點分散于其表面,同時滿足了高催化活性位點以及大量活性位點的條件,極大的提高了催化劑的催化活性;(3)PAM水凝膠電解質具有良好的壓縮機械性能以及大的孔隙率,良好的壓縮機械性能為鋅-空電池提供了優異的機械性能,同時大的孔隙率有利于電解質離子傳輸,為鋅-空電池提高了優異的電化學性能。因此,單點分散的Fe-N-C催化劑以及可壓縮PAM水凝膠基鋅-空氣電池同時具有良好的機械以及電化學性能。

             

            Longtao Ma, Shengmei Chen, Zengxia Pei, YanHuang, Guojin Liang, Funian Mo, Qi Yang, Jun Su, Yihua Gao, Juan AntonioZapien, and Chunyi Zhi, Single-SiteActive Iron-Based Bifunctional Oxygen Catalyst for a Compressible andRechargeable Zinc–Air Battery, ACS Nano, 2018, 12 (2), 1949–1958, DOI:10.1021/acsnano.7b09064.

             

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