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    同濟大學劉睿:嵌入FeCo合金納米顆粒的介孔Fe/Co-N-C納米纖維用于鋅-空氣電池的電催化劑

     
    發布日期:2018-11-20
     

    鋅空氣電池具有低成本、環保和高理論能量密度的優點,被認為是最有前途的儲能設備之一。析氧反應(OER)和氧化還原反應(ORR)在可充電鋅空氣電池的充放電過程中起著至關重要的作用。雖然OER催化劑(例如IrO2,RuO2)和ORR催化劑(例如Pt/C)具有高催化活性,但是,大多數商業催化劑都無法很好地促進這兩種反應。因此,開發一種高效和低成本的催化劑則充滿挑戰。為了在一體式催化劑中最大限度地提高ORR和OER催化性能,對催化劑的電化學組成進行了合理的設計,以尋求兩種反應的電催化劑。電紡絲是一種規模制備一維(1D)纖維納米材料有效技術。特別是電紡構建的長徑比更大(直徑更小或長度更大)一維碳納米材料,在多種電化學過程中表現出優異的導電性,加速了O2和電解質的擴散。

    日前,同濟大學劉睿研究員團隊采用靜電紡由聚乙烯吡咯烷酮(PVP)聚丙烯腈(PAN)組成的雙組分聚合物Fe/Co-N配位化合物制備嵌入FeCo納米顆粒的介孔Fe/Co-N-C納米纖維(表示為FeCo@MNC)。所制備的混合納米纖維具有一維介孔結構、大的BET表面積和均勻分布的活性位點(例如,Fe/Co合金和Fe/Co-N)。Fe/Co合金活性位點與Fe/Co-N活性位點共存可以促進ORR和OER的催化活性。從本質上說,具有多孔結構的納米纖維具有獨特的一維特性,在可充電鋅空氣電池中,對電荷輸送和活性位點暴露于O2吸附具有重要的作用。此外,FeCo@MNC顯示出低充放電電壓差(如0.9 V, 20mA cm-1充放電),較高的功率密度(如115mw cm-2, 143mA cm-1)和優異的穩定性。


    圖1. 嵌入FeCo合金納米粒子的介孔Fe/Co-N-C納米纖維合成過程示意圖。


    圖2.(a)FeCo-聚合物納米纖維的TEM圖像。FeCo@MNC的(b)SEM,(c)TEM和(d)HRTEM圖像。(e)FeCo@MNC的HAADF-STEM圖像和相應的元素分布。


    圖3. 合成的NC、FeCo@NC和FeCo@MNC的(a)XRD,(b)拉曼光譜和(c)N2吸附等溫線和(d)孔徑分布圖。


    圖4.(a)XPS總譜圖,FeCo@MNC的(b)N 1s, (c) Fe 2p和 (d) Co 2p XPS圖。


    圖5. NC、FeCo@NC、FeCo@MNC和Pt/C的(a)CV曲線,(b)RRDE極化曲線,(c)ORR電子轉移數和HO2-(%)的產量(d)極化斜率。


    圖6. 在OER過程中,NC、FeCo@NC、FeCo@MNC和Pt/C(a)LSV極化曲線(b)相應的極化圖,(c)奈奎斯特圖,(d)FeCo@MNC在2000 CV周期之前和之后的LSV極化曲線。


    圖7. NC、FeNC、CoNC、FeCo@NC、FeCo@MNC和FeCo@MNC-S的LSV極化曲線(a)ORR(b)OER過程。(c)所有樣品ORR的E1/2和OER的Ej = 10的之間的過電勢。(d)加入0.01M KCN前后NC、FeNC、CoNC和FeCo@MNCNC的LSV極化曲線。


    圖8. 鋅空氣電池的(a)示意圖和(b)開路電位。(c)充電和放電極化曲線。(d)含FeCo@MNC和Pt/C的鋅空氣電池的功率密度的。(e)在碳紙上用FeCo@MNC和Pt/C催化劑的鋅空氣電池在20 mA cm-2的電流密度下的恒電流放電-充電循環曲線。由兩個串聯相互連接的集成鋅空氣電池供電點燃的黃色LED(-3 V)(f)48小時前,(g)48小時后。

    總之,研究者通過簡單高效的電紡絲方法,在N2氣氛下進行熱處理,通過嵌入FeCo納米顆粒合成了介孔鐵/Co-N-C納米纖維。該材料具有良好的纖維形態,大量的介孔結構,均勻分布的FeCo合金納米顆粒和Fe/Co-N-C活性位點。這些綜合特性使FeCo@MNC成為一種用于ORR和OER的優秀雙功能電催化劑。因此,該研究為設計其他低成本高效的可充電鋅空氣電池多功能催化劑提供有新的見解。

     
     
     

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