2018-04-17 MaterialsViews
與氫燃料電相似，可充鋅空電池充放電過程中在空氣側電極分別發生的氧析出反應（OER）/氧化還原反應（ORR）動力學非常緩慢。雖然Pt、 Ir等貴金屬電催化劑對ORR/OER具有較高的催化活性，但其昂貴的價格和嚴重稀缺的資源限制了可充鋅空電池的發展。因此，急需一種高效、價格低廉且資源豐富的非貴金屬催化劑作為替代。當前，可充鋅空電池非貴金屬催化劑的研究中已取得了積極進展，其中具有大比表面積的M-N/C體系材料成為人們的研究熱點。過渡金屬有機框架（MOF）材料是獲得M-N/C的重要前驅體，但是高溫直接碳化會導致氮（N）含量和孔隙率下降從而嚴重影響材料的多功能催化性能。因此，需要構筑合適的結構來保證材料的N含量和孔隙率保持穩定。
針對上述科學問題，武漢理工大學木士春教授課題組通過制備三維（3D）ZIF材料設計和構筑出了一種一維Co-Nx/C納米棒陣列電催化劑。一維納米棒結構可有效避免過高溫碳化導致材料的N含量和孔隙率的降低，并有效阻止碳化過程中Co的團聚從而形成大量的Co-N活性位點。測試結果表明，一維Co-Nx/C納米棒陣列材料具有優異的ORR（E1/2=0.877V）/OER（ηj=10=0.3V）電催化活性和穩定性。作為一種高效的雙功能催化劑（Ej=10(OER)-E1/2(ORR)=0.65V），將其用于可充鋅空電池的陰極催化劑時，在5mA/cm2電流密度下的效率達到了65.7%。全固態鋅空電池的開路電壓達到了1.42V，電池的能量密度高達853.12 Wh kgZn–1，為理論能量密度的78.6%，并在高電流下的充放電測試中都展現出優異的穩定性。一維Co-Nx/C納米棒陣列優異的多功能電催化性能應歸因于其化學組分之間的協同效應、高比表面積以及擁有大量活性位點的納米棒結構。此外，DFT理論計算結果和SCN- 毒化實驗均進一步證明了Co-N是最佳的活性位點，對提高一維Co-Nx/C納米棒陣列的催化性能起著非常重要的作用。該項研究成果為多功能催化劑材料的設計和構筑，以及電化學能源器件的研發提供了新的方向。
相關文章在線發表在Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.201704638）上