NML研究文章 | 高效锌空电池ORR电催化剂: 柔性多孔金属-异质原子掺杂的碳纳米纤维

1  纤维形貌、内部结构及元素分布图

制备了Zn/Co-ZIFs/PAN纳米纤维前驱体和Zn/Co–N@PCNFs-800纳米纤维催化剂。SEM图（图1）显示在碳化前Zn/Co-ZIFs/PAN纳米纤维具有明显凸起的表面，从TEM图中可以看到Zn/Co-ZIFs晶体纳米粒子整齐排列在纤维的内部。碳化后，SEM图表明Zn/Co-N@PCNFs-800纳米纤维表面变得褶皱，TEM图显示Zn/Co-ZIFs晶体纳米粒子原先占据的位置变成了一个连续的空腔结构。

元素分布图显示，碳化后，集中在Zn/Co-ZIFs晶体纳米粒子的金属元素以及氮元素均匀的分散到整个纤维基体中。连续的多级孔结构和均匀元素掺杂有利于提高其催化活性。

图1 纤维形貌、内部结构及元素分布图。(a)、(c)、(e) Zn/Co-ZIFs/PAN的SEM图、TEM图、EDS图; (b)、(d)、(f) Zn/Co-N@PCNFs-800的SEM图、TEM图、EDS图。

2  不同碳化温度下Zn/Co-N@PCNFs催化剂的微观结构

随着碳化温度的升高，整体金属纳米出现了团聚现象，纳米粒子逐渐由分散的较小纳米粒子团聚成较大的纳米颗粒。纳米粒子的团聚会导致催化活性比表面积降低，从而不利于催化活性的提高。

图2 不同碳化温度下的TEM图 。

(a) 500^oC, (b)600^oC, (c) 700^oC, (d) 800^oC,(e) 900^oC, (f) 1000^oC。

4   Zn/Co-N@PCNFs-800催化剂的ORR电催化活性

如图4所示，Zn/Co-N@PCNFs-800催化剂展现出具有相当于20 wt% Pt/C商业催化剂的氧还原性能，并且其反应动力学符合一级反应动力学过程。

在长达10小时的催化稳定性测试中，Zn/Co-N@PCNFs-800催化剂展现了其优于20wt% Pt/C商业催化剂的性能，保持了其初始电流密度的94.53%。其耐甲醇能力测试同样显示出良好的甲醇耐受能力，同样优于20 wt% Pt/C商业催化剂。

图4 Zn/Co-N@PCNFs-800催化剂的ORR性能:(a) CV曲线, (b) LSV曲线, (c) 不同转速下的LSV曲线, (d) K-L曲线, (e) 电流-时间稳定性曲线, (f) 耐甲醇能力测试。

Zn/Co-N@PCNFs-800催化剂的反应机理：碳纤维基体提供了快速的电子转移传输通道，多孔结构提供了质量传输通道，均匀分散的金属纳米粒子和氮元素掺杂提供了足够的催化活性位点。

在自组装的锌空电池测试中，组装的锌空单电池的开路电压是1.425 V，两块串联的锌空电池可以点亮一个1.8 V的LED灯泡。Zn/Co-N@PCNFs-800催化剂被用作锌空电池正极材料时功率密度高达124.5 mW/cm²。在 10 mA/cm²电流密度下，电池比容量为640.3mA h/g_Zn。这些结果充分说明了Zn/Co-N@PCNFs-800催化剂优异的催化活性。

图5(a) 锌空电池示意图, (b) 催化机理示意图, (c) 点亮LED灯泡实物图, (d) 放电极化曲线和能量密度曲线, (e) 比电容, (f)恒流充放电循环曲线。

作者简介

通讯作者

马贵平

研究员

北京化工大学材料科学与工程学院

主要研究方向① 多功能复合纳米纤维的可控制备及应用② 天然高分子生物医学材料研究Email: magp@mail.buct.edu.cn

通讯作者

陈斌凌

博士后研究员

英国-埃克赛特大学

主要研究方向MOF及其衍生物相关的能源功能材料Email: B.Chen@exeter.ac.uk

第一作者

牛其建

博士研究生

北京化工大学材料科学与工程学院

主要研究方向① 功能性和结构性纳米纤维的制备② 电催化、电化学传感器等方向Email: niuqijian1989@163.com

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