Small:原位催化生成碳管中封装FeCo纳米颗粒,提升可充电锌-空气电池性能

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 研究背景

用于氧还原反应 (ORR) 和析氧反应 (OER) 的双功能非贵金属催化剂对于可充电锌-空气电池 (ZAB) 的商业化至关重要。然而,制备高活性和耐久的双功能催化剂仍然具有挑战性。

有鉴于此,中国矿业大学(北京)孙春文教授团队,报道了通过原位催化策略合成氮掺杂碳纳米管封装的FeCo纳米颗粒(FeCo NPs-N-CNTs)。由于氮掺杂碳纳米管对FeCo纳米颗粒的封装作用及其多孔结构,该催化剂对ORR表现出高的催化活性以及优异的耐久性。此外,为了提高催化剂的OER 活性,进一步通过原位反应方法将CoFe层状氢氧化物 (CoFe-LDH)与 FeCo NPs-N-CNTs 复合。作为可充电锌-空气电池的正极,可稳定循环100小时,表现出优良的耐久性,在可充电锌-空气电池领域具有广阔的应用前景。

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本文要点

要点一:提出了一种通过原位催化策略合成氮掺杂碳纳米管 (N-CNTs) 的策略。具体而言,在反应过程中,随着 FeCo NPs 的形成,低聚物被原位催化形成 N-CNTs,FeCo NPs 被完全包裹在 N-CNTs 中。在反应后期,由于Zn粒子的蒸发使材料形成大量微孔。对于纳米颗粒,原位封装使其牢固地附着在 N-CNTs 中,且不会形成无效的活性位点,从而大大提高了催化剂的稳定性和活性位点的利用率。

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点二:通过原位反应方法,将具有优异OER活性的CoFe-LDH材料与 FeCo NPs-N-CNTs复合。受益于共存的ORR和OER活性位点,所制备的复合材料(CoFe-LDH@FeCo NPs-N-CNTs)表现出优异的双功能催化活性,其指标ΔE(ΔE=Ej10E1/2为0.68 V,远低于商业的复合贵金属基催化剂Pt/C+RuO2(0.74 V)以及大多数报道的电催化剂。

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要点三:验结果表明,基于CoFe-LDH@FeCo NPs-N-CNTs正极的可充电锌-空气电池可输出116 mW cm-2的功率密度,799 mAh g-1zn的高比容量,以及出色的可逆性(在10 mA cm-2下,可稳定循环100 h)。

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原文信息

Zhang, T., Bian, J., Zhu, Y., Sun, C., FeCo Nanoparticles Encapsulated in N-Doped Carbon Nanotubes Coupled with Layered Double (Co, Fe) Hydroxide as an Efficient Bifunctional Catalyst for Rechargeable Zinc-Air Batteries. Small 2021, 2103737. 

DOI:10.1002/smll.202103737

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202103737

 

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