Nano Energy：一种光响应的双功能电催化剂用于氧还原和进化反应

【引言】

光催化/电催化提供了一个有前途的环保方式来满足全球日益增长的能源需求通过光/电化学水分裂和再生燃料电池来产生清洁能源。另一方面，可充电的锌空气电池是具有高功率密度的先进能量储存设备，它也是安全且成本低廉的。因此，将光化学和电化学能量转换和化学能量储存结合到一个单独的可充电的锌空气电池中是非常可取的。为开发一种可充电的可充电的锌空气电池, 需要有效的正极: (i) 在放电和充电过程中，一种双功能电催化剂，分别用于氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER); (ii) 一种具有p-n异质结的高效吸光剂用于高效电压。因此，光照射辅助可充电的锌空气电池可以产生光电电压，以增强其活性。

【成果简介】

近日，来自中科院福建物质结构研究所的王要兵教授和凯斯西储大学戴黎明教授等人在Nano Energy上发文，题为：“A Photo-responsive Bifunctional Electrocatalyst for Oxygen Reduction and Evolution Reactions”。研究人员报道了一种基于Ni₁₂P₅纳米粒子(nps)与氮掺杂碳纳米管(NCNT)复合的具有光响应的双功能ORR/OER电催化剂。Ni₁₂P₅@NCNT在0.1M KOH溶液中催化剂展现出了不同寻常的高活性，ORR(起始电位在0.90 V vs. RHE)，OER (过电位为360 mv @10 ma cm^-2)，ΔE (e^oer_j=10-E^ORR_1/2) = 0.82 V。在光照下 (300 W氙灯，AM 1.5G)，the ΔE进一步降低到0.80V。由Ni₁₂P₅@NCNT正极设计的一种可充电的锌空气电池在6M KOH/0.2M Zn(Ac)₂溶液中展现出了低的充放电电势差(~0.75 V @ 10 ma cm^-2, 充电电位=1.94V，放电电位=1.19V)并且具有循环超过5000次的循环稳定性。在光照下，展现了更低的1.90V的充电电位以及更高的1.22V放电电位。(充放电电势差: 0.68 V @ 10 ma cm^-2)。 这种辐射也导致了往返效率的增加从~61.3% 提高到了~64.2%。

【图文导读】

图1. 形貌分析

A) Ni₁₂P₅@NCNT杂化合成示意图；

B) Ni₁₂P₅@NCNT不同放大倍率不同区域的SEM图；

C, D) Ni₁₂P₅@NCNT不同放大倍率不同区域的TEM图；

E) Ni₁₂P₅@NCNT不同放大倍率不同区域的HRTEM图；

F) TEM image of Ni₁₂P₅@NCNT的TEM图和相应的元素分布图(g)：碳，氮，镍，磷；

图2. 结构元素分析

A) Ni₁₂P₅@NCNT的XRD图；

B) Ni₁₂P₅@NCNT的拉曼图谱；

C) N₂吸附-解吸等温线和相应的孔隙大小分布；

D-F) Ni₁₂P₅@NCNT的高分辨XPS光谱：(d) n_1s, (e) Ni _2p3/2, (f) P _2p；

图3. Mott-Schottky以及瞬态光谱分析

A) Ni₁₂P₅@NCNT的Mott-Schottky曲线；

B) Ni₁₂P₅和NCNT的Mott-Schottky曲线；

C) Ni₁₂P₅和Ni₁₂P₅@NCNT光致发光光谱；

D-E) 光照下Ni₁₂P₅@NCNT的J-V行为；

F) 在光照下Ni₁₂P₅和Ni₁₂P₅@NCNT瞬态光电流密度与时间关系；

图4. 性能测试

A) 0.1M KOH，暗态和光照下的Ni₁₂P₅@NCNT的OER LSV曲线；

B) 0.1M KOH，暗态和光照下的Ni₁₂P₅@NCNT的ORR LSV曲线;

C) Ni₁₂P₅@NCNT的ORR和OER LSV曲线；

D) 锌空电池光照下的示意图；

E) 锌空电池暗态和光照下的充放电极化曲线；

F) 锌空电池暗态和光照下的恒电流充放电曲线；

【总结】

研究人员报道了一种基于Ni₁₂P₅纳米粒子(nps)与氮掺杂碳纳米管(NCNT)复合的具有光响应的双功能ORR/OER电催化剂。Ni₁₂P₅@NCNT在0.1M KOH溶液中催化剂展现出了不同寻常的高活性，ORR(起始电位在0.90 V vs. RHE)，OER (过电位为360 mv @10 ma cm^-2)，ΔE (e^oer_j=10-E^ORR_1/2) = 0.82 V。在光照下 (300 W氙灯，AM 1.5G)，the ΔE进一步降低到0.80V。由Ni₁₂P₅@NCNT正极设计的一种可充电的锌空气电池在6M KOH/0.2M Zn(Ac)₂溶液中展现出了低的充放电电势差(~0.75 V @ 10 ma cm^-2, 充电电位=1.94V，放电电位=1.19V)并且具有循环超过5000次的循环稳定性。在光照下，展现了更低的1.90V的充电电位以及更高的1.22V放电电位。(充放电电势差: 0.68 V @ 10 ma cm^-2)。 这种辐射也导致了往返效率的增加从~61.3% 提高到了~64.2%。

文献链接：A Photo-responsive Bifunctional Electrocatalyst for Oxygen Reduction and Evolution Reactions (Nano Energy. 2017., DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.11.020)

本文由材料人新能源学术组Z. Chen供稿，材料牛整理编辑。

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