探索和開發(fā)用于氧還原反應(yīng)（ORR）的具有成本效益、超長耐久性和高性能的非貴金屬催化劑來替代用于電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換裝置的鉑基催化劑仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。盡管幾種類型的非貴金屬催化劑（N摻雜石墨烯、過渡金屬納米粒子、單原子金屬-氮-碳等）聲稱與商業(yè) Pt/C 相比具有相當(dāng)或壓倒性的催化性能，但它們的長效耐久性，特別是在苛刻的電解質(zhì)中，對于實際應(yīng)用仍然不能令人滿意。這里，研究人員通過結(jié)構(gòu)設(shè)計制備了Fe
3C量子點均勻鑲嵌在氮摻雜多孔碳空心球殼層中的ORR催化劑（Fe
3C@N/MCHSs）。實驗結(jié)果分析和理論計算均表明，電子在Fe
3C量子點與氮摻雜碳形成的莫特-肖特基（Mott-Schottky）異質(zhì)結(jié)界面上的重新分布可以促進電子轉(zhuǎn)移速率，降低能量勢壘，從而提高催化劑對ORR的本征催化活性。因為 Fe
3C 量子點提供了快速的電子轉(zhuǎn)移到 NG 的價帶。分子動力學(xué)模擬表明，NG中的石墨烯結(jié)構(gòu)在腐蝕性極強的電解液中相對穩(wěn)定，避免了Fe
3C量子點的腐蝕。。結(jié)合鋅/石墨烯復(fù)合膜和固態(tài)電解質(zhì)，F(xiàn)e
3C@N/MCHSs在固態(tài)鋅-空氣電池中具有1.506 V的高開路電壓、706.4Wh Kg
-1的高能量密度和1000小時的長期穩(wěn)定性，這推進了鋅空氣電池向?qū)嶋H應(yīng)用方向邁出了一大步。
Figure 1. Fe
3C@N/MCHSs 和 Fe
3C-NG Mott-Schottky異質(zhì)結(jié)的制備示意圖。
Figure 2. 所制備的 Fe
3C@N/MCHSs 的形態(tài)表征： a) SEM 圖像；b) 透射電鏡；c,d) HRTEM 圖像；e) 典型的 TEM 圖像和相應(yīng)的 C、N、O 和 Fe 元素映射；f) C和Fe元素的組合映射圖像；g) 明場和 h) 暗場 TEM 圖像；i) HAADF-STEM 圖像和相應(yīng)的 NG 和 Fe
3C；j) Fe
3C量子點和單層N摻雜石墨烯形成的TEM圖像和相對Mott-Schottky異質(zhì)結(jié)；k) Fe箔、鐵(II)酞菁(FePc)和Fe
3C@N/MCHSs的K邊XANES光譜；l) Fe
3中 Fe K-edge 的 EXAFS 光譜的傅里葉變換 (FT) k 3 -加權(quán) χ( k )-函數(shù)C@N/MCHS；m) Fe
3C@N/MCHS的k 3加權(quán) EXAFS 信號的小波變換。
Figure 3. a) 泡沫鎳上 Fe
3C@N/MCHSs 正極的制造工藝，b) 固態(tài)電解質(zhì)的制備，以及 c) 柔性鋅/石墨烯負極的制備。
Figure 4. Fe3C@N/MCHSs催化劑的電化學(xué)性能表征。(a) Pt/C，N/MCHSs和Fe3C@N/MCHSs的循環(huán)伏安(CV)測試；(b) 線性掃描伏安曲線(LSV)；(C) Fe3C@N/MCHSs在不同轉(zhuǎn)速下的LSV和(插圖)相應(yīng)的Koutecky-Levich圖；(d) Pt/C和Fe3C@N/MCHSs催化劑的甲醇毒化對比；(e) Pt/C和Fe3C@N/MCHSs催化劑的穩(wěn)定性測試；(f) 在堿性溶液中Fe3C@N/MCHSs與其他報道的鐵基非貴金屬電催化劑的性能對比；Fe3C@N/MCHSs 為陰極催化劑的液態(tài)鋅-空氣電池：(g) 液態(tài)鋅-空氣電池裝置示意圖；(h) 開路電壓；(i) 倍率性能；(j) 放電比容量；(k) 功率密度；(l) 充放電循環(huán)曲線；Fe3C@N/MCHSs 為陰極催化劑的固態(tài)鋅-空氣電池：(m) 固態(tài)鋅-空氣電池裝置示意圖；(n) 開路電壓；(o) 給手機充電；(p) 1000小時超長穩(wěn)定性測試。
Figure 4. Fe3C@N/MCHSs催化劑電子結(jié)構(gòu)表征及理論計算。(a，b) Mott-Schottky異質(zhì)結(jié)接觸前和接觸后Fe3C和NG的能帶圖；(c) ORR催化機制；(d, e) Fe3C@NG模型的電荷分布；(f) Fe3C@NG模型上的ORR過程；(g) 能量階梯示意圖；(h) G，NG，F(xiàn)e3C和Fe3C@NG不同活性位點在ORR催化過程中各步驟的能量變化；(i) Fe3C@NG在不同勢能下的能量分布圖；(j) Fe3C@NG在0.5 M H
2SO
4溶液中的分子動力學(xué)(MD)模擬。
相關(guān)研究工作由湖南大學(xué)/中國農(nóng)業(yè)大學(xué)/劍橋大學(xué)Huanxin Li 、Bingcheng Luo等課題組于2022年在線發(fā)表于《Advanced Functional Materials》，原文：Non-Noble-Metal Catalyst and Zn/Graphene Film for Low-Cost and Ultra-Long-Durability Solid-State Zn-Air Batteries in Harsh Electrolytes。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
