NiCo2O4基多孔纳米片的合成及锌空电池应用研究

锌-空气电池由于其安全性、清洁性以及高效性被认为是目前最具发展潜力的新能源材料。但是，由于催化剂表面上缓慢的动力学和多步质子耦合电子转移过程，空气阴极的催化性能限制了锌-空气电池的效率。因此，开发廉价、易制备的高效多功能电催化材料，并设计其在低温条件下应用是人们一直研究的热点。最近，兰州大学席聘贤教授（点击查看介绍）课题组与香港理工大学黄勃龙教授（点击查看介绍）课题组通过温度调控孔径尺寸的方法成功的合成了均匀孔径的NiCo₂O₄基多孔纳米片催化材料。得益于多孔纳米片的结构特征，使得该材料具有优良的电催化性能。在碱性条件下，具有优良的OER、ORR催化活性和稳定性；同时， DFT计算进一步证明多孔区内表面较低配位Co-位点的高电子交换和转移活性（ExT），其具有较低的价态以通过e_g-t_2g带与费米能级合并和重叠进行有效的电子转移对电催化性能的提升。此外，便携式锌空电池可以运用在低温环境中，并保持长时间的稳定性。该文章发表在国际顶级期刊Advanced Materials 上。

XRD测试表明该系列纳米片据具有NiCo₂O₄的尖晶石结构（图1a）；同时，孔径分析表面随着温度的升高从300到500度，产物的孔径变大（图1b，c）；进一步的TEM测试也证实了，NiCo_2.148O₄纳米片均匀的多孔结构（图1d）；球差电镜也证实了NiCo₂O₄的结构和均匀的元素排布（图1e，f）；最后，AFM测试说明了NiCo_2.148O₄纳米片的厚度基本为4.3 nm。该独特的多孔结构为之后的催化性能奠定了基础。

图1. NiCo₂O₄基系列多孔纳米片的结构表征。（a，b，c）XRD、BET、BJH表征结果，（d-f）NiCo_2.148O₄多孔纳米片的TEM，HR-TEM和元素面分布测试图，（g-i）NiCo_2.148O₄多孔纳米片的厚度表征。

得益于表面多孔的结构特征，边缘Co-位点的活化和适宜的氧空位，NiCo_2.148O₄纳米片表现出优良的电催化性能。在碱性（1 M KOH）条件下，随着孔径的增大，Co价态的升高，该系列纳米片催化剂催化性能逐渐降低（图2a）。NiCo_2.148O₄纳米片催化剂具有长时间的稳定性，在不同电流密度（10、100、200 mA cm^-2）下均能稳定保持催化700 h（图2b）；同时，与文献报道性能相比（图2c），NiCo_2.148O₄纳米片依旧具有很大的优势和前景；STEM测试表明OER之后，NiCo_2.148O₄纳米片催化剂表面Co富集形成CoOOH物种（图2e，f）。DFT计算进一步证明低配位的Co有利于电催化性能的提升（图2g，h，i）。基于NiCo_2.148O₄纳米片独特的结构和有利的Co价态，以及丰富的氧空位，该催化剂表现出优良的催化性能，为其优异的电池性能奠定了基础。

图2. NiCo_2.148O₄多孔纳米片催化剂的碱性OER催化性能。（a-d）OER催化性能表征，（e-f）测试后结构表征，（g-i）DFT计算结果。

NiCo_2.148O₄纳米片组装的便携式锌空气电池具有优异的性能使其可应用于各种温度条件下进行工作，在0~-30度的低温条件下仍可以保持120 h的长期稳定性（图3a，b，c）。并且我们设计了自制了单电池以及能够组装的系列电池盒，从而可以用于更多领域的大规模应用中。

图3. NiCo_2.148O₄多孔纳米片催化剂组装的锌空电池。（a-b）便携式锌空电池性能测试，（c）超低温锌空电池测试（d-f）便携式锌空电池的组装，（g）电池实用性测试。

文章的第一作者是兰州大学萃英博士后殷杰。

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NiCo₂O₄-Based Nanosheets with Uniform 4 nm Mesopores for Excellent Zn–Air Battery Performance

Jie Yin, Jing Jin, Hongbo Liu, Bolong Huang,* Min Lu, Jianyi Li, Hanwen Liu, Hong Zhang, Yong Peng, Pinxian Xi,* Chun-Hua Yan

Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202001651

导师介绍

席聘贤

https://www.x-mol.com/university/faculty/11230

黄勃龙

https://www.x-mol.com/university/faculty/65818