滑铁卢大学陈忠伟团队Adv. Energy Mater.封面文章：新型Co/Co3O4异质结@多孔石墨化碳壳作为双功能催化剂用于高能量二次锌空电池

【引言】

金属锌作为能量载体的空气电池具有零污染、安全、高效等优点，在大规模可再生资源能源储存、电动汽车以及下一代消费类电子产品（如通信和医疗设备）领域中具有巨大的应用潜力。然而，目前缺乏有效催化氧还原和氧析出反应的双功能催化剂，严重限制了可充电锌空气电池的实际应用。因此，开发廉价、易制备的高效多功能电催化材料，驱动可充电锌空气电池是该研究工作的亮点。

【成果简介】

基于以上问题，近日，来自加拿大滑铁卢大学的陈忠伟教授在Advanced Energy Materials发表了题为“Interpenetrating Triphase Cobalt-based Nanocomposites as Efficient Bifunctional Oxygen Electrocatalysts for Long-lasting Rechargeable Zn-air Batteries”的封面文章。该文章首次设计利用二维Zn基MOFs骨架中有机碳的还原性来调控钴离子的氧化态，成功构筑Co/Co₃O₄异质结@多孔石墨化碳壳复合材料。图1展示了该复合催化剂的合成路径。研究人员首先采用室温液相反应合成二维Zn MOFs纳米片，利用液相浸渍得到Zn/Co MOF-Co(NO₃)₂前驱体，然后进一步920 ℃氩气处理，得到氮掺杂多孔石墨化碳壳包覆的钴/氧化钴异质纳米颗粒（Co/Co₃O₄@PGS）。由于结构设计上的优势，其具有优异的双功能电催化活性（图4）：氧还原峰的半波峰电位为0.89 V, 氧析出曲线上对应于10 mA/cm²电流密度的电位为1.58 V。其次，将其作为双功能催化剂应用于锌-空气电池，与商业贵金属Pt/C和Ir/C催化剂相比， Co/Co₃O₄@PGS催化剂呈现出高的功率密度、长的循环寿命和较小的极化。

【图文导读】

图1 Co/Co₃O₄@PGS复合材料的合成示意图

图2 Co/Co₃O₄@PGS的透射电子显微镜图（a, b）, 高分辨透射电子显微镜图（c, d）,晶面间距（e, f），相应的傅里叶变换花样（g, h），Co和O的元素分布图（i-l）

图3 Co/Co₃O₄@PGS的（a）氮气吸/脱附等温线及孔径分布（插图），(b) N 1s,（c）C1s和（d）Co 2p_3/2高分辨XPS图

图4 Co/Co₃O₄@PGS和Pt/C催化剂的（a-d）电催化氧还原和氧析出反应性能，在（e）0.7 V电位下及（f）1.6 V电位下的稳定性曲线

图5 Co/Co₃O₄@PGS和Pt/C+Ir/C催化剂的锌空气电池电化学性能

催化剂以及锌-空气电池呈现出优异的电化学性能得益于：Co/Co₃O₄@PGS复合材料独特的Co/Co₃O₄异质结耦合协同作用有效丰富了活性位点、提升了电子导电性，同时纳米颗粒和碳基底之间存在的强Co-N共价键稳定了结构。该工作为开发复合双功能电催化剂提供了新的设计思路，同时推动了锌空气电池在各储能领域的实际应用。

特别感谢：

美国布鲁克海文实验室苏东研究员团队为本实验提供的TEM表征支持

文献链接：

Interpenetrating Triphase Cobalt-based Nanocomposites as Efficient Bifunctional Oxygen Electrocatalysts for Long-lasting Rechargeable Zn-air Batteries. (Advanced Energy Materials, 2018, DOI: 10.1002/aenm.201702900)

通讯作者团队简介

陈忠伟：加拿大滑铁卢大学(University of Waterloo)化学工程系教授、加拿大国家首席科学家(CRC-Tier 1)、加拿大工程院院士、加拿大先进能源材料研究主席、加拿大皇家科学院青年院士、国际电化学能源科学院副主席、美国化学会期刊ACS Applied Materials & Interfaces的副主编。陈忠伟院士带领一支约70人的研究团队多年来致力于燃料电池、金属空气电池、锂离子电池、锂硫电池、锂硅电池、液流电池等储能器件的研发与创新。在Nature Energy、Nature Nanotechnology、Nature Communications、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials、Energy & Environmental Science、Nano Letters、ACS Nano等国际知名期刊发表SCI论文220余篇，目前为止，其文章已引用次数超过15,000次，最高引用超过900次，H-index指数高达58。

课题组主页：http://chemeng.uwaterloo.ca/zchen/

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