高效的尖晶石铁钴氧/氮掺杂有序介孔碳催化剂应用于可充电锌-空气电池

Efficient spinel iron‐cobalt oxide/nitrogen‐doped ordered mesoporous carbon catalyst for rechargeable zinc‐air batteries

以电催化为核心的新能源储存和转换技术为缓解能源与环境问题提供了有效手段.可充电锌空气电池因其理论能量密度(1086 Wh·kg^(-1))高、成本效益显著、安全系数高、环境友好及放电平稳等优点被认为是一种具有前景的能源存储/转换装置,有望在新能源汽车、便携式电-源等领域广泛应用.氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)是锌-空气电池中的核心反应,目前,虽然贵金属催化剂对上述反应表现出一定的电催化活性,但由于其稀缺性、高昂价格和低稳定性因素严重阻碍了它们在锌-空气电池中的广泛应用.而非贵金属催化剂所面临的瓶颈在于ORR/OER反应动力学缓慢,导致其在实际应用过程中存在电压效率低和催化剂腐蚀等问题.因此,为了推进锌-空气电池商业化进程,研制低成本、高效、稳定的非贵金属催化剂迫在眉睫.本文通过一步法将双金属前驱体嵌入氮掺杂有序介孔碳(NOMC)中,合成了具有尖晶石型铁钴氧化物的高性能非贵金属电催化剂(FexCo/NOMC,x代表铁钴的摩尔比).实验结果表明,在x=0.5时,所制备的催化剂具有最佳的催化活性,与商业贵金属催化剂相比,该催化剂展现更优的电催化活性和稳定性.电化学测试结果表明,其ORR的半波电位为0.89 V(vs.RHE),当OER电流密度为10 mA·cm^(‒1)时,过电势仅为0.31 V,且电流-时间曲线测试结果表明催化剂表现出较好的稳定性.通过X射线光电子能谱(XPS)、穆斯堡尔谱(Mössbauer)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和拉曼光谱(Raman)等表征手段对电催化剂的物化性质进行表征,结果表明该材料优异的氧电催化性能归因于双金属氧化物的电子调控作用、NOMC的介孔结构、高导电性和高比表面积,其ORR与OER的催化活性位点分别是氮活化的碳(N-C)和双金属氧化物.以优化的Fe_(0.5)Co/NOMC为正极组装可充电锌-空气电池,该电池在空气环境下展现出优良的充放电性能,其在电流密度为100 mA·cm^(‒2)条件下操作时能量密度达到820 Wh·kg^(‒1),在1.0 V时功率密度达到153 mW·cm^(2),它还表现出较好的稳定性,经过144 h的循环实验,活性没有明显下降.本文不仅制备了一种有前景的尖晶石型氧化物碳基氧电催化材料,还为高效氧电催化剂的合理开发与构筑提供了一条新的思路.

A robust oxygen‐related electrocatalyst,composed of spinel iron‐cobalt oxide and nitrogen‐dopedordered mesoporous carbon(NOMC),was developed for rechargeable metal‐air batteries.Electrochemicaltests revealed that the optimal catalyst Fe_(0.5)Co/NOMC exhibits superior activity with ahalf‐wave potential of 0.89 V(vs.reversible hydrogen electrode)for the oxygen reduction reactionand an overpotential of 0.31 V at 10 mA cm^(−2)for the oxygen evolution reaction.For demonstration,the catalyst was used in the assembly of a rechargeable zinc‐air battery,which exhibited an exceptionallyhigh energy density of 820 Wh kg−1 at 100 mA cm^(−2),a high power density of 153 mW cm^(−2)at1.0 V,and superior cycling stability up to 432 cycles(144 h)under ambient air.