Nano Lett.：氧还原与亚极化石墨 Fe-N4 原子位点相结合，打造高效柔性锌空气电池
文摘
2024-11-11 08:00
中国香港
锌空气电池 (ZAB) 的实现需要活性和耐用的催化剂来动力学驱动缓慢的阴极氧还原反应 (ORR)。原子金属-Nx-C 位点被广泛认为具有类似 Pt 的活性，但它们的脱金属化仍然严重限制了 ORR 的耐久性。1. 在这里，作者通过模板衍生法对有序分级多孔碳负载的 Fe-N4 单原子 (FeNC) 催化剂进行了分析，以进行高效的 ORR 和灵活的 ZAB 研究。2. 观察到 FeNC 结构具有亚极化石墨 Fe-N4 配位和缩短的 Fe-N 键，可潜在地巩固 ORR，以及分级多孔基质以进行动力学质量传递。3. 结果显示，优化后的 FeNC 催化剂表现出超越 Pt 的碱性 ORR 活性（E1/2 = 0.95 V），且具有长达 100 小时的长期耐用性，为灵活的 ZAB 设备提供了高功率密度（251 mW cm-2）和持久的循环寿命（80 小时）。这项研究强调了通过金属-氮键调节合理化活性和稳健 ORR 催化剂的标准。综上所述，作者通过 MOF 模板衍生法构建了具有可调 N 构型的 3DOM 碳负载 Fe–N4 单原子 (FeNC) 催化剂，用于高效的 ORR 和 FZAB 研究。观察到 FeNC 结构具有亚极化石墨 Fe–N4 配位和稳固的 Fe–N 键以实现持久的 ORR，以及用于动力学质量传递的分级多孔基质。理论 COHP 分析还揭示了 Fe–N4 和石墨 N 之间的原子界面对 ORR 的能量比其他配位界面更高。因此，优化的具有更高亚极化石墨 Fe–N4 含量的 FeNC-1000 样品表现出优异的 ORR 催化活性，在 0.1 M KOH 中 E1/2 高达 0.95 V（vs RHE）。它还展示了出色的 ORR 稳定性，100 小时后电流保持率约为 92.5%。在 FZAB 中组装后，该装置实现了 251 mW cm–2 的高功率密度和超过 Pt 基准（157 mW cm–2，20 小时）80 小时的耐用循环性能。热力学计算还表明，原子 Fe–N4/石墨 N 位点上的 ORR 步骤的能垒较低。这项研究通过原子键调制为先进的柔性金属空气电池提供了有价值的见解，有助于合理设计活性和耐用的 ORR 电催化剂。https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c03665
