用于氧還原反應(yīng)（ORR）和析氧反應(yīng)（OER）的高性能且可持續(xù)的電催化劑對(duì)于可充電鋅空氣電池（ZAB）至關(guān)重要。該工作以天然全成分竹子作為碳源，三聚氰胺和氯化鈷分別作為氮源和鈷源。制備了獨(dú)特的螺旋碳納米管（HCNT）封裝的鈷??納米顆粒，將其用作ORR/OER電催化劑以提高ZAB的性能。所得的 HCNT 通過(guò)暴露更多的 Co─N 位點(diǎn)、提供優(yōu)異的電子傳導(dǎo)性并促進(jìn)反應(yīng)物的傳質(zhì)，有助于提高 ORR/OER 活性。HCNT 組裝的可充電液體 ZAB 在 330 小時(shí)循環(huán)中顯示出 226 mW cm
−2 的最大輸出功率密度和 0.85 V 的低電壓間隙。柔性全固態(tài) ZAB 實(shí)現(xiàn)了 59.4 mW cm
−2 的最大功率密度和超過(guò) 25 小時(shí)的充放電循環(huán)。密度泛函理論（DFT）計(jì)算表明，HCNT上Co─N的增加有效地調(diào)節(jié)了Co的電子結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了氧中間體的結(jié)合親和力，導(dǎo)致較低的ORR/OER過(guò)電勢(shì)。這項(xiàng)工作為將可再生竹生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為多功能電催化劑鋪平了道路，從而促進(jìn)了下一代能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換設(shè)備的開(kāi)發(fā)。
Fig 1. a) CoN-BC-0.3的合成示意圖。 b–d) CoN-BC-0.3 的 SEM 圖像。 e,f) TEM 和 g) CoN-BC-0.3 的 HRTEM 圖像（L 代表層）。 h) CoN-BC-0.3對(duì)應(yīng)的元素映射。
Fig 2. a) CoN-BC-x 樣品的 XRD 圖譜和 b) 拉曼光譜。 c) CoN-BC-0.3的N
2吸附/解吸等溫線。 d) CoN-BC-0.3 的調(diào)查 XPS 光譜和 (e) C 1s、f) N 1s、g) O 1s 和 h) Co 2p 的高分辨率光譜。 i) CoN-BC-x 中各種氮形態(tài)的含量。
Fig 3. a) ORR 曲線和 b) 催化劑在 O
2 飽和的 0.1 m KOH 溶液中、轉(zhuǎn)速為 1600 rpm 時(shí)的塔菲爾圖。 c) 催化劑的H
2O
2產(chǎn)率和電子轉(zhuǎn)移數(shù)。 d) CoN-BC-0.3 和 Pt/C 的計(jì)時(shí)電流曲線。 e) CoN-BC-0.3 和 20% Pt/C 的甲醇耐受測(cè)試。f) 催化劑的OER曲線。 g) 相應(yīng)的催化劑阻抗圖。 h)雙功能催化活性催化劑的LSV曲線。i) 催化劑的ΔE值。
Fig 4. a) 水性 ZAB 的示意圖。 b) 基于CoN-BC-0.3和20% Pt/C+RuO
2的ZAB的開(kāi)路圖。 c) 基于CoN-BC-0.3和20% Pt/C+RuO
2的ZAB的放電極化曲線和相應(yīng)的功率密度。 d) 充放電極化曲線。 e) 基于CoN-BC-0.3的ZAB在不同電流密度下的放電曲線。 f) 基于CoN-BC-0.3和20% Pt/C+RuO
2的ZAB的比容量。g) ZABs與CoN-BC-0.3和Pt/C+RuO
2的循環(huán)穩(wěn)定性。 h) 由兩個(gè)串聯(lián)可充電液體 ZAB 供電的 LED (≈ 3.0 V) 照片。
Fig 5. a) 使用 CoN-BC-0.3 作為空氣陰極的柔性可充電 ZAB 示意圖。 b) 基于CoN-BC-0.3和20% Pt/C+RuO
2的ZAB的開(kāi)路圖。 c）ZAB的Pt/C+RuO
2和CoN-BC-0.3空氣電極的充放電極化曲線以及相應(yīng)的功率密度。d) 2 mA cm
−2 下的循環(huán)穩(wěn)定性。 e) 由兩個(gè)串聯(lián) ZAB 供電的 LED (≈ 3.0 V) 照片。 f) 不同彎曲角度下柔性ZAB的開(kāi)路電壓。
Fig 6. a) Co─C
4 和 Co─N
4 模型的俯視圖和側(cè)視圖。 (b) Co─C
4 和 (c) Co─N
4 沿 z 方向的平面平均電子差。插圖顯示電荷密度差異。電荷積累和耗盡區(qū)域用黃色和青色著色。計(jì)算 (d) Co─C
4 和 (e) Co─N
4 的 DOS。灰色和藍(lán)色虛線分別表示費(fèi)米能級(jí)和 d 帶中心。 f) Co─C
4 和 Co─N
4 上的 O
2 吸附能。g) 和 h) Co─C
4 和 Co─N
4 上 1.23 V 下 ORR/OER 的自由能曲線。 i) ORR/OER過(guò)程相應(yīng)的中間結(jié)構(gòu)。 Co、C、N、O 和 H 原子分別用青色、灰色、藍(lán)色、粉色和橙色球體表示。
相關(guān)與研究工作由青島大學(xué)Bin Hui課題組于2023年在線發(fā)表在《Small》期刊上，Bamboo-Modulated Helical Carbon Nanotubes for Rechargeable Zn-Air Battery，原文鏈接：
https://doi.org/10.1002/smll.202307776
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
