昆明理工Adv. Energy Mater.：高效长寿可充电锌空气电池的新策略

【导读】

金属空气电池，尤其是带有水性电解质的可充电锌空气电池（ZAB），最近引发了一波研究浪潮，因为与传统可充电电池相比，它们具有更高的能量密度、更好的安全性和更环保的特性。ZAB涉及放电过程中的氧还原（ORR）和充电期间的空气电极中的氧逸出（OER）两个显着反应。ORR和OER的动力学相当慢，分别导致电池输出性能和充电特性不理想。因此，许多研究人员最近致力于研究高性能和高性价比的双功能ORR/OER电催化剂，以提高电池性能并试图推进其实际应用。

【成果掠影】

近日，昆明理工大学李金成教授提出了一种碳纳米管桥接策略，用于合成这种富含高活性单原子Fe位点的双功能氧电催化剂用于ORR和高性能纳米NiCo氢氧化物用于OER。结果表明，该催化剂的过电位差为0.686 V。当用作氧电极催化剂时，相应的ZAB表现出219.5 mW cm⁻²的大功率密度，10 mA cm⁻²时的充放电电压间隙为0.72 V，以及出色的充放电耐久性，在超过700次循环后持久性不衰减。相关成果以“Carbon-Nanotube-Bridging Strategy for Integrating Single Fe Atoms and NiCo Nanoparticles in a Bifunctional Oxygen Electrocatalyst toward High-Efficiency and Long-Life Rechargeable Zinc–Air Batteries”发表在Advanced Energy Materials上。昆明理工大学李金成教授和华盛顿州立大学(WSU)Prof. Yuehe Lin为论文的通讯作者。

【核心创新点】

本工作提出了在双功能氧电催化剂中整合单个Fe原子和NiCo纳米颗粒的碳纳米管桥接策略，实现多功能催化剂的新思路，并推动了ZABs的实际应用。

【数据概况】

图1：a）FePc ||CNTs||NiCo/CP的XRD图谱。 b）FePc ||CNTs||NiCo/CP和参考样品的FTIR光谱。c）FePc ||CNTs||NiCo/CP和参考样品的Fe K-edge XANES光谱。d）FePc ||CNTs||NiCo/CP和参考样品的FT k³加权EXAFS光谱。e） NiCo/CP||FePc /CNT的FT-EXAFS拟合曲线。f）FePc||CNTs||NiCo/CP，g）FePc和h）Fe箔的小波变换（WT）。©2022 Jin-Cheng Li

图2：a、 b）FePc||CNT||NiCo/CP的TEM图像。c） （b）标记部分中FePc||CNTs||NiCo/CP的选区电子衍射。d） FePc||CNT||NiCo/CP中金属纳米颗粒的原子分辨率TEM图像和e）相应的EDS元素映射。f） FePc||CNT||NiCo/CP中该金属纳米粒子的放大图像。g、 h）FePc||CNT||NiCo/CP中与CNT耦合的FePc的原子分辨率TEM图像。i） FePc||CNT||NiCo/CP中没有金属纳米粒子的FePc耦合CNT截面的EDS光谱。©2022 Jin-Cheng Li

图3：a） ORR极化曲线和b）FePc||CNT||NiCo/CP和参考样品的电子转移数和过氧化物产率。c） 5000次电位循环前后FePc||CNT||NiCo/CP的ORR极化曲线。d） FePc||CNT||NiCo/CP和参考样品的OER极化曲线。e） 5000次电位循环前后FePc||CNT||NiCo/CP的OER极化曲线。f）Pt/C+Ir/C、FePc||CNTs||NiCo/CP和FePc||CNTs ||Co/CP的总体氧电催化性能比较。©2022 Jin-Cheng Li

图4：在FePc||CNT||NiCo/CP上收集的原位拉曼光谱用于a）ORR过程和b）在O₂饱和的0.1m KOH溶液中的OER过程。©2022 Jin-Cheng Li

图5：a) FePc||CNTs||NiCo/CP和Pt/C + Ir/C作为液态ZABs氧电极在10 mA cm⁻²处的极化和功率密度曲线和b)放电曲线。c)基于FePc||CNTs||NiCo/CP和Pt/ c + Ir/ c的固态柔性ZABs的极化和功率密度曲线。d) FePc||CNTs||NiCo/CP作为10 mA cm⁻²氧电极时液态ZAB的恒流充放电曲线。e-g) FePc||CNTs||NiCo/ cp基液态ZAB的第1、300、700次充放电循环曲线。这里使用的充放电平台电压是它们的平均值。©2022 Jin-Cheng Li

【成果启示】

总之，作者提出了一种简单的CNT桥接策略，将含有Fe-N₄原子部分的FePc和含有NiCo纳米颗粒的碳颗粒集成到一种混合材料中，该混合材料用作一种高效且坚固的双功能氧电极催化剂。实验结果，包括X射线吸收精细结构光谱、像差校正TEM成像和原位拉曼光谱，表明所获得的FePc||CNT||NiCo/CP催化剂同时保持高浓度的单原子Fe-N₅活性位点用于ORR和纳米尺寸的NiCo氢氧化物用于OER。得益于这种独特的结构，FePc||CNT||NiCo/CP表现出优异的氧电催化性能，优于商业贵金属Pt/C+Ir/C催化剂和大多数以前的双功能催化剂。更重要的是，当FePc||CNT||NiCo/CP用于组装可充电ZAB时，证明了优异的电池输出性能和充放电循环耐久性。这项工作为设计先进的双功能氧电催化剂提供了一种新的可行策略，并将推动可再充电ZAB的实际应用。

参考文献：Ding, S., He, L., Fang, L., Zhu, Y., Li, T., Lyu, Z., Du, D., Lin, Y., Li, J.-C., Carbon-Nanotube-Bridging Strategy for Integrating Single Fe Atoms and NiCo Nanoparticles in a Bifunctional Oxygen Electrocatalyst toward High-Efficiency and Long-Life Rechargeable Zinc–Air Batteries. Adv. Energy Mater. 2022, 2202984. https://doi.org/10.1002/aenm.202202984