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哈爾濱工業大學Lei Zhao、Xu-Lei Sui和Zhen-Bo Wang課題組--海綿模板三明治狀鈷嵌入的氮摻雜碳多面體/石墨烯復合材料作為鋅空氣電池的高效催化劑
       非貴金屬材料被認為是用于氧還原反應(ORR)的最有希望的催化劑,可以克服Pt基催化劑固有的缺陷,例如成本高、可獲得性有限和穩定性不足。在這里,我們通過一種簡便且可擴展的策略來制造類似三明治的Co封裝的氮摻雜碳多面體/石墨烯(s-Co@NCP/rGO),即通過分別在聚氨酯(PU)海綿模板上加載Co基沸石咪唑酸酯骨架(ZIF-67)和氧化石墨烯(GO)層。3D夾層結構在海綿模板的幫助下得以保持,從而促進了ZIF-67衍生的Co嵌入的氮摻雜碳多面體(Co@NCP)的均勻分散,并防止了石墨烯板在退火過程中發生團聚。最終產品對ORR具有相當大的催化性能,半波電勢為0.85 V,與20 wt%的Pt/C相比,具有更好的穩定性和更高的中毒耐受性,這是由3D三明治狀結構N/Co-摻雜效應、較大的可及表面積和分層多孔結構決定的。催化劑出色的ORR性能意味著它們可以在Zn-空氣電池中用作陰極催化劑。在這樣的演示中,s-Co@NCP/rGO表現出1.466 V的高開路電壓、出色的長期耐用性以及186 mV/cm2的出色峰值功率密度,這顯示了其作為潛在替代品的巨大潛力。在非貴金屬ORR催化劑領域中的廣泛實際應用。
 
Figure 1. s-Co@NCP/rGO催化劑的合成示意圖。
 

Figure 2. (a)s-Co@NCP/rGO前體、(b)s-Co@NCP/rGO-800、(c)聚氨酯海綿模板、(d)s-Co@NCP/rGO前體中的ZIF-67和(e)s-Co@NCP/rGO-800中ZIF-67衍生的碳材料的SEM圖像。s-Co@NCP/rGO-800中ZIF-67衍生的碳材料的(f)TEM和(g)HRTEM圖像。(h)帶有元素映射的s-Co@NCP/rGO-800的STEM。(i)s-Co@NCP/rGO-800的結構圖。
 

Figure 3. (a)s-Co@NCP/rGO-800的CV曲線。(b)不同樣品的SCV曲線。(c)比較不同催化劑的半波電勢和Jk@0.83V。(d)s-Co@NCP/rGO-800在不同轉速下的SCV曲線,以及(e)在不同電勢下的對應K-L圖。(f)使用RRDE數據計算的ORR過程中過氧化氫的產率和s-Co@NCP/rGO-800和Pt/C的電子轉移數。(g)s-Co@NCP/rGO-800和Pt/C催化劑的計時安培響應。(h)通過記錄5000次循環后的SCV曲線,對s-Co@NCP/rGO-800進行長期耐久性測試。(i)在計時電流法測量過程中,在400s時將甲醇添加到KOH電解液中,進行甲醇耐受性測試。
 

Figure 4. (a)鋅空氣電池的示意圖。(b)用萬用表測得的s-Co@NCP/rGO-800鋅空氣電池的開路電壓為1.466V。(c)使用兩個s-Co@NCP/rGO-800串聯的鋅空氣電池點亮LED的照片。(d)使用不同催化劑的鋅空氣電池的放電極化和相應的功率密度曲線。(e)使用不同催化劑的鋅空氣電池的比容量。(f)s-Co@NCP/rGO-800和基于Pt/C的Zn-空氣電池的恒電流放電測試。
 
      相關研究成果于2020年由哈爾濱工業大學Lei Zhao、Xu-Lei Sui和Zhen-Bo Wang課題組,發表在Nanoscale(DOI: 10.1039/c9nr09020g)上。原文:A sponge-templated sandwich-like cobaltembedded nitrogen-doped carbon polyhedron/graphene composite as a highly efficient catalyst for Zn–air batteries。

摘自《石墨烯雜志》公眾號:

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