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Nano Res.[能源]│锰钴氧还原催化剂:液态与准固态锌空气电池性能大不同

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背景介绍


锌空气电池(ZABs)具有较高的理论能量密度(1086 Wh/kg)。与水系锌空电池相比,准固态锌空电池具有安全,低成本等优势,同时又具备更好的机械强度,不容易出现电解液泄露、短路等问题。随着全球便携式和可穿戴电子产品市场的快速扩张,进一步推动了柔性准固态ZABs的广泛研究。尽管具有巨大的商业化潜力,但采用准固态电解质的柔性ZABs仍处于早期阶段。近年来,一系列在液态ZAB中表现良好优于贵金属基的电催化剂(铂、铱、钌基电催化剂)在准固态ZAB运行条件下电压效率及稳定性(电压差)显著衰减,仍然无法与贵金属催化剂相媲美。这是因为准固态ZAB的催化剂是基于其在液态电池中的性能表现来设计制备的,对分析电催化剂在准固态电解质条件下的构效关系具有显著局限性,这极大地阻碍了面向准固态ZAB的高性能非贵金属剂的合理设计。


研究方法


作者们利用硼氢化钠辅助Mn2+与Co2+离子共沉淀,原位合成高锰含量的双金属 Mn/Co MOF,对前驱体一步碳化,即可在 Co-N-C 中引入丰富Mn 活性位点。


成果简介


作者们在研究锰钴催化剂(Mn/Co-BNC)的过程中发现:该催化剂在碱性液态氧还原反应(ORR)和液态锌空电池中性能均明显低于商业铂碳催化剂,但是组装成准固态锌空气电池后发生反转。对比分析液态测试结果及准固态电池性能并结合多种图谱表征,发现锰钴催化剂中 Co、Mn 协同优化催化剂在少水准固态环境中对氧气和水的吸附活性,Mn活化O2而Co活化H2O,协同催化伴随质子转移的电极反应。


图文导读


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图1.Mn/Co-BNC及商业Pt/C的液态及准固态ORR性能比较

通过旋转圆盘电极(RDE)测试和自制准固态锌空气电池,作者评估了Mn/Co-BNC催化剂的活性。图1为Mn/Co-BNC和Pt/C的ORR性能比较。在1 mg/cm2的催化剂负载量下,0.1 M KOH氧气饱电解质中Pt/C的活性优于Mn/Co-BNC。组装成液态锌空气电池,Mn/Co-BNC实现了45 mW cm-2较高的功率密度,达到了Pt/C的83%。而在准固态锌空气电池中,Mn/Co-BNC的功率密度虽然仅为18 mW cm-2,但是同等负载量的商业Pt/C 1.4倍。

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图2.Mn/Co-BNC的元素分布及形貌特征。
对催化剂样品的成分及结构进行表征。Mn/Co-BNC很好地继承了前驱体的形貌,没有热解条件下常见的结构坍塌。放大的STEM显示这些Co纳米颗粒具有超小尺寸,粒径统计表明其平均尺寸为~2 nm。

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图3.准固态锌空气电池Mn/Co-BNC电催化剂表面氧气和水活性机理分析
通过调整Mn/Co-BNC电催化剂中锰和钴的含量,利用XPS对比分析催化剂表面吸附的氧气和水的含量变化推测准固态锌空气电池中锰钴催化剂的催化活性机理。发现锰钴催化剂中 Co、Mn协同优化催化剂在少水准固态环境中对氧气和水的吸附活性,Mn活化O2而Co活化H2O,协同催化伴随质子转移的电极反应。


作者简介


王婷婷,武汉纺织大学特任教师,硕士生导师。2012年在安庆师范大学化学工程与工艺学院获工学学士学位,同年进入武汉理工大学化学工程学院攻读硕士研究生。2018年10月获得武汉理工大学材料科学与工程博士学位,导师为Francis Verpoort 教授。2018-2021年先后在新加坡南洋理工大学和深圳大学完成博士后工作,合作导师为陈晓东院士和张晗教授。主要研究方向包括MOF基有序结构设计及其在非线性光学器件及柔性储能中的应用。参与国家自然科学基金面上项目3项,国家高层次人才项目1项。近五年共发表论文20余篇,以一作及通讯作者发表SCI论文15篇,其中A类15篇,包括 Advanced Functional Materials 3篇、Advanced Energy Materials 1篇、Electrochemical Energy Reviews 1篇、Chemical Engineering Journal 3篇、Small Methods 1篇、Small 1篇、Nano Research 3篇、ACS Applied Materials & Interfaces 1篇、Nanoscale 1篇。


寇宗魁,武汉理工大学研究员,博士生导师,国际先进材料协会会士(IAAM Fellow),湖北省高层次创新人才,湖北省楚天学子。主要研究方向为功能杂化材料设计与催化机理、宏量制备及能源与环境器件应用。近五年在材料、化学、能源及其交叉学科领域发表学术论文130余篇,其中以第一作者及通讯作者在Adv Mater 、Adv Energy Mater、Adv Funct Mater、ACS Energy Letters、Electrochemical Energy Review、Adv Sci、ACS Catal、Nano Energy等发表SCI论文60余篇,SCI他引9000余次,h-index:57;获国家授权发明专利2项;主持并参与多项国家及省部级科研项目。受邀多本国际高影响力学术期刊独立审稿人。任《Interdisciplinary Materials》期刊学术编辑,《DeCarbon》期刊Ring-star编委。受邀参加多个国际国内会议并作邀请报告。


汪胜祥,武汉纺织大学三级教授,湖北省“楚天学者”计划海外高层次引进人才,硕士生导师,现任武汉纺织大学数理科学学院院长。曾担任武汉纺织大学电子与电气工程学院副院长、“教育部首批全国党建工作样板支部(武汉纺织大学电气教师党支部)”支部书记,获武汉纺织大学“最美教师”荣誉称号。先后获武汉水利电力大学工学学士(2001),三峡大学工学硕士(2004),武汉大学工学博士(2007)。2007年6月至2007年9月,在香港理工大学应用物理系担任助理研究员。2007年10月至2011年3月,在法国国家科学院(CNRS) “电子、微电子及纳米技术(Institutd’Electronique de Microélectronique et de Nanotechnologie, IEMN)”研究所进行博士后研究工作。2016年2月至2017年1月,美国佐治亚理工学院电气与计算机工程学院任访问学者。主持国家自然科学基金1项,参与国家自然科学基金重大仪器专项1项,主持湖北省自然科学基金1项,其他企业横向合作项目多项。已在Nature Communications、Advanced Materials、ACS Applied materials & Interfaces、Scientific Reports、Optics Express、 Applied Physics Letters、APL Materials、Journal of Applied Physics等刊物上发表论文70余篇,文章被引用的H因子为22 ,论文他引1300余次(Google Scholar Citation)。




文章信息


Wang T, Huang J, Sang W, et al. Correlative Mn-Co catalyst excels Pt in oxygen reduction reaction of quasi-solid-state zinc-air batteries. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6332-4.



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