可充鋅空氣電池由于其清潔高效的特點，被認為是一種有前景的能源轉化裝置。然而，受限于氧還原（ORR）及氧析出(OER)反應固有的緩慢動力學過程，可充鋅空氣電池并沒有得到大規模的實際應用。貴金屬基催化劑，如鉑族金屬(PGM) 材料、IrO2和RuO2基材料，具有低過電位和高電流密度，分别被認為是ORR 和OER 的最有效催化劑。然而由于其有限的雙功能催化性能及高成本，制備高性能且低成本的雙功能空氣電極催化劑是實現可充鋅空氣電池實際應用的主要任務之一。
近日，2003网站太阳集团易清風教授團隊使用簡單的熱解策略合成了一系列負載有CoNi的N摻雜中空球形碳和管狀碳共存複合材料（CoNi/NHCS-TUC-x），并通過調節複合材料中空心球狀碳與管狀碳的比例尋找空間密度與活性位點的最佳平衡點，成功獲得了性能優異的雙功能催化劑（CoNi/NHCS-TUC-3）。相關工作以“CoNi Nanoparticles Supported on N-doped Bifunctional Hollow Carbon Composites as High-performance ORR/OER Catalysts for Rechargeable Zn-air Batteries”為題，發表在ACS Applied Materials & Interfaces。2003网站太阳集团碩士生盛況為論文第一作者。此研究得到國家自然科學基金和湖南省重點領域研究發展規劃項目資助。
示意圖1合成過程示意圖
得益于豐富的Co-Ni/N 耦合中心、具有更多暴露活性位點的高表面積以及易于氣體擴散和傳質的中空結構的協同作用，制備的材料展現出優異的性能。當CoNi/NTUC 的量增加時，活性位點數量增加，導緻ORR 電位正移。然而，CoNi/NTUC的增加可能導緻空心球坍塌和管纏結的可能性，從而導緻氣體擴散和傳質困難，從而使電流變小。活性物質的數量和空間密度之間的适當平衡使得CoNi/NHCS-TUC-3 具有最佳的活性材料利用效率，從而導緻其最佳的電催化性能。不同比例的球狀碳和管狀碳的材料表現出有趣的雙功能性能：具有豐富管狀含量的樣品具有最高的ORR 起始電位（0.91 V vs RHE），而富含球狀碳的材料具有最高的ORR 起始電位含量最高的ORR 電流密度(5.13 mA·cm-2)。此外，CoNi/NHCS-TUC-3 提供了0.806 V 的最低電位差(ΔE="Ej="10 - E1/2)。随後測試了CoNi/NHCS-TUC-3 作為空氣電極的一次和可充電鋅空氣電池的潛在可能性。原電池的開路電位為1.59 V，峰值功率密度為361.8 mA·cm-2，比容量為756.5 mAh·gZn-1。可充電電池在10 mA·cm-2下可穩定循環55 h以上。
圖1樣品的SEM圖：(a)CoNi/NHCS-TUC-1；(b) CoNi/NHCS-TUC-2；(c) CoNi/NHCS-TUC-3；(d) CoNi/NHCS和(e) CoNi/NTUC。（f）用于EDS 測量的SEM 圖及CoNi/NHCS-TUC-3 的N、Ni 和Co元素映射圖。
圖2TEM圖像：(a) CoNi/NHCS-TUC-3；(b-c)嵌入空心球殼的金屬顆粒和(d-e) 管狀碳。
圖3Co/NHCS-TUC、Ni/NHCS-TUC 和CoNi/NHCS-TUC-3的(a) XRD 圖和(b)放大視圖。
圖4 (a) CoNi/NHCS-TUC-3的XPS圖和(b) Co 2p；(c) Ni 2p；(d) N 1s；(e) C 1s 和(f) O 1s 高分辨率光譜圖。
圖5 (a) 使用O2或N2飽和的0.1 M KOH 在50 mV·s-1下不旋轉獲得的循環伏安圖；(b) 使用O2飽和的0.1 M KOH 水溶液在5 mV·s-1和1600 rpm 下獲得的ORR 的RDE 極化曲線；(c) 使用O2飽和的0.1 M KOH 水溶液在5 mV·s-1和1600 rpm 下獲得的起始電位、半斜率電位和極限擴散電流密度。(d) 使用O2飽和的0.1 M KOH 水溶液在5 mV·s-1和1600 rpm 下獲得的線性掃描伏安圖的塔菲爾圖。
圖6 (a) 使用O2飽和的0.1 M KOH 水溶液在5 mV·s-1和1600 rpm 下獲得的OER 的RDE 極化曲線；(b) ORR 和OER 的整體極化曲線；(c) 電流密度為10 mA·cm-1時的過電位和Ej="10與半波電位之間的電位差。
圖7 (a) 使用所有制備的樣品和Pt/C 作為空氣電極催化劑在6 M KOH 電解液中5 mV·s-1下一次鋅空氣電池的極化和功率密度曲線；(b) 使用CoNi/NHCS-TUC-3 和Pt/C 的鋅空氣電池從10 到100 mA·cm-2的倍率放電圖；(c) 使用CoNi/NHCS-TUC-3 和Pt/C 的鋅空氣電池在10、50 和20 mA·cm-2下的長時間（24h）恒電流放電曲線，插圖：根據鋅闆的消耗量計算比容量；使用CoNi/NHCS-TUC-3 和Pt/C 的可充電鋅空氣電池在(d) 5 mA·cm-2和(e) 10 mA·cm-2的電流密度下的充放電循環曲線。
本研究提出了空間利用合理化的思路，為空氣電極催化劑的制備提供了新的設計思路和策略，所制備的CoNi負載N摻雜雙功能空心碳球/管狀碳複合催化劑可作為雙功能催化劑用于可充鋅空氣電池或相關應用。
原文鍊接
https://doi.org/10.1021/acsami.1c10671
