本文主要由论文第一作者钟熊伟撰写。在此,特别感谢南方科技大学徐保民讲座教授和澳门大学潘晖副教授团队的大力支持。谢谢大家对我们的持续关注~


研究背景
随着电动汽车和大型储能电源的飞速发展,亟需开发高能量密度高安全性的电池。其中,锌空气电池因具有高能量密度(1086 Wh/kg,高于目前商业锂电池),成本低和安全性高等优点,能克服目前电动汽车续航里程短和锂电池易燃等缺点,被认为是下一代具有广泛应用前景的储能电池。但是,催化剂的催化效率低和催化剂成本高是锌空电池发展缓慢的主要因素。同时,单一组分的催化剂目前还不能满足锌空电池的要求,所以结合金属氧化物和单原子催化剂的优点,提出金属氧化物和单原子协同作用,提高催化活性,克服催化剂缺点,开发新型高效双功能催化剂应用于锌空电池备受科研工作者的关注。


研究成果
南方科技大学徐保民讲座教授和澳门大学潘晖副教授课题组共同实现了Co单原子同时锚定在四氧化三钴和多孔活性炭基底,成功得到新型双功能催化剂应用于锌空电池。该工作首先通过活化多孔碳球得到高比表面积的活性碳,再利用湿法化学和水热方法得到单原子钴和Co3O4, 利用Co单原子和Co3O4协调作用提高催化剂的氧还原和氧析出催化性能。这是目前首次报道金属单原子同时锚定在金属氧化物和碳基底的研究工作,为制备双功能催化剂开拓新的思路,该工作发表在Applied Catalysis B: Environmental ( Appl. Cata. B, 260 (2020) 118188),钟熊伟和易文迪为本文的共同第一作者。

图文解析

如图1所示,通过湿法化学反应和水热方法,制备单原子钴同时锚定在Co3O4和多孔活性碳基底的催化剂(Co-Co3O4@NAC)。同时,球差电镜同步辐射均证明单原子钴同时锚定在Co3O4和碳上

 

Figure 1. a) Schematic illustration for the synthesis of Co-Co3O4@NAC, b) SEM, c) TEM and d), e) HAADF-STEM images of the Co-Co3O4@NAC, f) Co K-edge XANES spectra of Co foil, Co3Oand Co-Co3O4@NAC.

如图2所示,通过电化学测试表明:Co-Co3O4@NAC 的氧还原半峰电位为0.795 V,其氧还原过程是四电子过程,并且极低的副产物H2O2的生成,同时氧还原过程中具有很好抗甲醇毒化,防止Co-Co3O4@NAC中毒。Co-Co3O4@NAC具有很好的氧析出催化活性,电流密度达到10 mA/cm2时,过电位仅 380 mV。最终达到氧析出和氧还原的电位差(Ej=10-E1/2)仅为 0.815 V。


Figure 2. a) ORR polarization curves recorded in O2-saturated 0.1 M KOH. b) Rotating ring-disk electrode (RRDE) voltammogram of Co-Co3O4@NAC. c) Percentage of peroxide and the electron transfer number based on the RRDE results. d) Chronoamperometric responses after the addition of methanol. e) OER LSV curves in O2-saturated 0.1 M KOH. f) The potential gap between Ej=10 - E1/2 of Co-Co3O4@NAC.

Fig. 3. a) Schematic illustration of ZAB. b) The optical photograph of ZAB with a high OCV. c) Discharge curves at various discharge current densities. d) Galvanostatic charge-discharge cycling performance of a rechargeable Zn-air battery e) corresponding magnified discharge-charge curves. f) Cycling test of a rechargeable ZAB, g) corresponding magnified charge-discharge curves.

为进一步证明该催化剂的双功能高催化活性,采用Co-Co3O4@NAC为正极,锌片为负极组装锌空电池。如图3所示,基于Co-Co3O4@NAC的锌空电池具有很高的开路电压很好的倍率放电性能。二次锌空电池在充放电时电流密度为5和10 mA/cm2,电压差仅为0.730 V和0.773 V。


研究小结

该工作中,采用水热,碳化,活化,湿法化学反应和水热反应,逐步科学结合多孔活性炭氮掺杂单原子催化金属氧化物优点。协同单原子金属,金属氧化物和氮掺杂碳的作用,大大提高催化剂的氧还原和氧析出活性,以及催化剂稳定性,该文章提出和开辟出新型催化剂合成策略。

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文章信息:Co single-atom anchored on Co3O4 and nitrogen-doped active carbon toward bifunctional catalyst for zinc-air batteries. https://authors.elsevier.com/a/1Zlq3_L3-uhvit

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