【引言】
金属–空气电池能量密度高、成本低廉、对环境友好等诸多优点，在电化学储能与转换领域有着非常好的应用前景。然而，金属–空气电池阴极氧还原（ORR）和氧析出（OER）过程中需要使用催化剂促进其反应。目前，高效的氧还原和氧析出主要以贵金属Pt基和Ir/Ru基为主。由于贵金属材料储量不足，价格昂贵，而且性能也不够稳定，使得金属–空气电池的商业化推广受到了极大的限制。近些年，碳纳米材料在电催化领域的发展取得了较大的进展。其中，氮掺杂石墨烯（NG）由于具有独特的二维平面结构，超大的比表面积，优异的导电性能，以及良好的电化学稳定性，引起了国内外学者的广泛关注，被认为非常有潜力取代贵金属催化剂。但是，纯石墨烯的制备过程比较复杂，难以在工业中大量使用。而且在实际使用的过程中，石墨烯纳米粉末很容易发生堆叠、团聚，继而从电极上脱落，造成电池充放电活性和稳定性降低。
【成果简介】
最近黄云辉教授研究团队，在国际知名学术期刊Advanced Energy Materials（影响因子：16.7）上发表了一篇题为“In Situ Exfoliating and Generating ActiveSites on Graphene Nanosheets Strongly Coupled with Carbon Fiber towardSelf-Standing Bifunctional Cathode for Rechargeable Zn-Air Batteries”的文章（Adv.Energy Mater., 2018, 8: 1703539. DOI:10.1002/aenm.2017035 39）。该文通过化学氧化的方法，从碳纸中碳纤维表面原位剥离出石墨烯纳米片，之后经过高温氨气处理，制备一种富含缺陷和吡啶氮（PN）的石墨烯与高导电性碳纤维强耦合的核–壳结构碳纳米材料DN-CP@G，并将其作为三维自支撑空气电极应用在锌–空气电池中。DN-CP@G在碱性环境中具有优异的ORR和OER催化活性和稳定性，而且以该电极组装的锌–空气电池峰值功率密度达到了135 mW·cm-2，经过250次的循环以后充放电电势差变化不超过30 mV。研究结果表明，该电极优异的性能得益于其独特核壳结构：1)外壳石墨烯提供了大量高效的催化活性位点，内核碳纤维保证了催化反应过程中的快速电子转移；2) 石墨烯与碳纤维强耦合作用能够避免石墨烯的堆积和团聚，并且不易从电极表面脱落，保证了电池在长期循环过程中的稳定性；3) 碳纸原有三维多孔结构得以保留，有利于反应物质的快速扩散和转移，进一步提升电池性能。同时，该工作通过实验与理论计算结合，研究了DN-CP@G催化活性的形成机理，得出碳纳米材料的催化活性与其缺陷程度和活性氮掺杂含量的呈正相关的结论，为高性能的碳基非金属催化剂的制备提供了一定的理论依据。
【图文导读】
图1 (a) DN-CP@G制备的示意图; (b，e) CP的SEM和TEM图像；(c，f) D-CP@G的SEM和TEM图像；(d，g) DN-CP@G的SEM和TEM图像。
图2 CP，D-CP@G和DN-CP@G的(a) N2吸附–脱附等温线；(b) 孔径分布图（插图为微孔分布图）；(c) XRD图谱；(d) 拉曼光谱; (e) EPR光谱. (f) DN-CP@G的XPS谱，插图是N1s的拟合结果。
图3 CP，D-CP@G和DN-CP@G的 (a) CV曲线；(b) ORR极化曲线；(c) 转移电子数n；(d) OER极化曲线；(e)ORR和OER中的总体极化曲线。(f）DN-CP@G的强耦合核–壳结构的示意图（碳原子为黑色,氮原子为蓝色）。
图4 DN-CP@G（4h）、DN-CP@G（8h）、DN-CP@ G（12h）和DN-CP@G（16h）的TEM图像(a-d)；(e) XRD图谱；(f) 拉曼光谱；(g) XPS图谱；(h) N 1s拟合结果。(i-k) DN-CP@G（4h）、DN-CP@G（8h）、DN-CP@ G（12h）和DN-CP@G（16h）的ORR，OER和总体的极化曲线；(l）所有碳纸基催化剂的ID/IG比值，PN掺杂量与ORR半坡电位（E1/2）和OER电位（EJ10）的相互关系。
图5使用DN-CP@G空气电极组装的锌空气电池的 (a) 结构示意图；(b)开路电压；(c) 极化曲线和功率密度曲线；(d-e) 基于DN-CP@G和 (Pt/C+Ir/C) 混合催化剂的可充电锌–空气电池分别在5mA cm-2和20mA cm-2电流密度下的充放电循环曲线；(f) 两个DN-CP@G电极的锌空气电池串联点亮16个并联红色LED灯的照片；(g) 全固态锌–空气电池的示意图；(h) 基于DN-CP@G电极的全固态锌空气电池在1mA cm-2电流密度下的充放电循环曲线。
【小结】
本文通过原位剥离石墨烯和氮掺杂，将高电化学活性的石墨烯纳米片层与高导电性碳纤维芯强耦合形成的核–壳结构，作为用于增强ORR和OER催化性能的新型自立式双功能电极。通过实验与理论计算结合，本文得出碳纳米材料的催化活性与其缺陷程度和活性氮掺杂含量的呈正相关的关系。这项工作将促进高活性碳基非金属双功能ORR/OER电催化剂的开发，并通过在碳载体上原位引入活性位点实现应用，从而提供了一种简便且经济高效的方法。
ChaoHang，JianZhang*, Jiawei Zhu, Wenqiang Li, Zongkui Kou and Yunhui Huang*. In SituExfoliating and Generating Active Sites on Graphene Nanosheets Strongly Coupledwith Carbon Fiber toward Self-Standing Bifunctional Cathode for RechargeableZn-Air Batteries. Adv.Energy Mater., 2018, DOI:10.1002/aenm.201703539.
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