暨南大学麦文杰课题组Nano Energy: 多孔碳纳米纤维限域NiFe合金应用于锌空气电池

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锌空气电池(ZAB)由于其低成本和良好的安全性，在下一代可持续能源存储中具有良好的应用前景。然而ZAB的功率密度和稳定性等电化学性质通常受到空气电极三相界面处的离子/质量传递的限制。近日，暨南大学麦文杰课题组提出了有效的结构工程将NiFe合金纳米粒子限域在多孔碳纳米纤维中，设计的双功能催化剂（H-NiFe/CNF）具有丰富的分级孔隙和高比表面积，从而显著地提升了空气电极中O₂吸附/转移和OH^-扩散等性质。有限元分析和氧吸附-脱附等表征证实了这种巧妙的结构设计极大地扩大了氧气吸附容量、扩散效率和OH^-转移等。组装的液相和柔性锌空气电池均表现出良好的电化学性能。这项工作强调了调控催化剂的离子/质量传输策略来设计金属-空气电池的双功能催化剂。相关研究成果发表于Nano Energy上。通讯作者为暨南大学麦文杰教授、谭绍早教授和王子龙副教授。第一作者为雷航。

【背景介绍】

为了取代贵金属基催化剂，许多研究致力于开发过渡金属基纳米材料。这些活性材料经过合理设计，可以实现媲美于贵金属的双功能催化活性。这些催化活性数据由旋转圆盘电极 (RDE) 测试获取。然而，很少有文献关注ZAB和RDE测试条件的差异，这导致具有良好催化活性的催化剂在ZAB 中展示出一般的电化学性能。换言之，RDE测试是在理想的测试条件下进行的，而ZAB测试更接近实际情况。例如，RDE在氧饱和的电解质和外部持续供氧条件下进行测试，而 ZAB 是在大气氛围中测量，无需额外供氧。这意味着在ZAB中使用的双功能催化剂应具有良好的氧气吸附能力。此外，RDE旋转利于扩散控制的氧还原/析出反应，而ZAB的空气电极处于相对静止的状态。因此，氧的扩散、转移和析出速率对于应用于ZAB中的电催化剂极为重要。另一个不可忽略的情况是，RDE测试中使用的电解质是0.1 M 或1 M氢氧化钾(KOH), 而ZAB中使用的是6 M KOH或强碱性固态电解质。为了提升ZAB的循环稳定性，在强碱性环境中对催化活性位点进行多重保护非常关键。基于以上分析，为了减少RDE和ZAB测试条件差异的影响，在设计双功能催化剂时应更多地考虑氧吸附能力、离子/传质速率、催化活性位点的保护层这些特性。

【本文亮点】

1. 全面地总结了旋转圆盘电极与锌空气电池的测试条件差异，并定向地设计了高效的双功能催化剂应用于锌空气电池。
2. 设计的催化剂具有良好的氧气吸附/脱附，OH^-转移特性，从而实现了锌空气电池功率密度和稳定性的提高。

【数据概览】

图1. 总结了旋转圆盘电极与锌空气电池的测试条件差异，并通过有限元的方法预测纳米结构对氧气/OH^-扩撒的影响。

图2.合成的H-NiFe/CNF展示出良好的双功能催化活性，氧气吸附/脱附测试和O₂程序升温脱附等表征证实了催化剂具有良好的氧气吸附/脱附能力，催化剂反应的过程如图2g所示。

图3. 基于H-NiFe/CNF的液相和柔性锌空气电池均展示出良好的电化学性能。

【总结与展望】

这项工作在有限元方法的指导下设计了多孔碳纳米纤维限域NiFe合金的双功能电催化剂(H-NiFe/CNF)应用于锌空气电池。H-NiFe/CNF催化剂具有高的比表面积大和大的孔隙率，可以促进氧吸附/扩散和OH^-转移。因此，H-NiFe/CNF 电催化剂表现出优异的双功能催化性能活性(ΔE=0.671 V)，优于贵金属基催化剂和大多数以前的报道的数值。组装的液相和柔性锌空气电池展示出良好的电化学性能。这项工作为优化O₂吸附/扩散和OH^-/电荷传输以定向设计锌空气电池双功能催化剂提供了新的见解。

【作者介绍】

雷航，暨南大学在读博士研究生（导师：麦文杰教授和谭绍早教授），目前在南洋理工大学进行联合培养。研究方向为纳米材料的合理设计及其在电催化分解水和锌空气电池等方面的应用研究，以第一作者发表论文10余篇。

王子龙，暨南大学理工学院副教授，硕士生导师，入选广东省级人才计划，主要研究方向为锌离子电池、电催化材料。以通讯作者/第一作者在众多高水平期刊发表论文30余篇，主持国家、省部级项目4项。

谭绍早，现任暨南大学化学与材料学院教授，博士生导师，广东省本科高校化工与制药类教学指导委员会委员，广东省石墨烯类功能和高性能材料与制品(器件)工程技术研究中心主任。从事纳米复合材料、功能高分子、精细化工等方面研究。主持国家级项目6项、省部及其它项目30多项，获授权的发明专利20余件，发表SCI收录论文130多篇，成功转化多项科研成果。

麦文杰，暨南大学理工学院教授，物理学系系主任，广东省真空薄膜技术与新能源材料工程技术研究中心主任。2002年本科毕业于北京大学物理系，获理学学士学位；2009年博士毕业于美国佐治亚理工学院材料科学与工程系，获哲学博士学位，导师为王中林（Zhong Lin Wang）院士；2009年被暨南大学作为海外优秀人才引进入校，破格评聘为副教授；2013年破格评聘为研究员；2015年起担任物理学系系主任。已承担国家级项目3项，省部级项目7项。曾荣获广东省自然科学杰出青年基金（省杰青）经费资助，入选广东特支计划百千万人才工程青年拔尖人才，入选广东高等学校优秀青年教师培养计划，和荣获南粤科技创新优秀学术论文一等奖。

文献来源：

Hang Lei, Liang Ma, Qixiang Wan, Zhuowen Huangfu, Shaozao Tan*, Zilong Wang*, Wenjie Mai*，Porous carbon nanofibers confined NiFe alloy nanoparticles as efficient bifunctional electrocatalysts for Zn-air batteries

论文DOI：10.1016/j.nanoen.2022.107941

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107941

本文由麦文杰团队供稿