可充電鋅空電池（RZABs）因其高能量密度、優(yōu)異的安全性以及成本低等優(yōu)點(diǎn)被視為最有前途的下一代能源設(shè)備之一。然而，其氧電極上的氧還原（ORR）和氧析出（OER）反應(yīng)動力學(xué)過程極其緩慢，制約了電池的輸出性能和循環(huán)性能。因此，開發(fā)高效、穩(wěn)定且廉價的ORR/OER雙功能電催化劑對促進(jìn)RZABs的發(fā)展具有重要意義。
多組分碳催化劑是一類利用多尺度碳結(jié)構(gòu)來擔(dān)載多種催化活性組分，以促進(jìn)多個化學(xué)反應(yīng)的高效進(jìn)行。研究表明，單原子位點(diǎn)（Fe-Nx或Co-Nx）和納米FeCo顆粒分別是催化ORR和OER的高效活性組分。因此，將單原子位點(diǎn)和納米顆粒錨定在不同碳結(jié)構(gòu)的碳材料上，可以構(gòu)建出具有復(fù)合功能的多組分碳催化劑，有望推動RZABs的商業(yè)化進(jìn)程。然而，由于高溫制備過程中存在奧斯特瓦爾德熟化，多組分碳同時載單原子和納米顆粒催化劑的制備仍是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。本工作開發(fā)了一種表面工程策略，利用[Fe(CN)6]3-同時修飾聚苯胺涂層包覆的氧化石墨烯（GO@PANI）和鈷基金屬有機(jī)框架（ZIF-67），制備出Fe修飾前驅(qū)體（Fe-ZIF-67/GO@PANI-Fe）。高溫?zé)峤庵校現(xiàn)e-ZIF-67轉(zhuǎn)變成擔(dān)載FeCo納米顆粒的碳多面體（用于催化OER），GO@PANI-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂性臃稚⒌腇e-N摻雜碳納米片（用于催化ORR），從而同時實(shí)現(xiàn)高效ORR和OER（過電位差僅為0.69 V）。原位拉曼光譜揭示了其催化機(jī)理，證明了尖晶石鐵鈷氧化物在促進(jìn)OER過程發(fā)揮了關(guān)鍵作用。最后，該催化劑分別在液態(tài)和固態(tài)鋅空電池中實(shí)現(xiàn)225 mW cm-2和164 mW cm-2的功率密度，并在10 mA cm-2條件下，經(jīng)過1035次充放電循環(huán)后仍能保持0.712 V的微小而穩(wěn)定的電壓差，這些均證明了其良好的應(yīng)用潛力。
FeCo-CP/FeSA-CN的制備及形貌結(jié)構(gòu)表征
上述研究以“Surface engineering strategy to synthesize bicomponent carbons for rechargeable zinc-air batteries”為題，發(fā)表在國際高水平期刊Energy Storage Materials上。論文的第一作者為我院2021級碩士研究生安佳興，通訊作者為李金成副教授、韓國科學(xué)技術(shù)院Il-Doo Kim教授及美國華盛頓州立大學(xué)丁世超博士。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金（52102046）及云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金（202301AW070016）的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103520
