三维红千层状分层网络结构多功能催化剂合成并在锌空气电池中应用

　　河北大学张文明Compos. Part B Eng.：三维红千层状分层网络结构多功能催化剂CoNC/NCNTs@CNF的合成及其在锌空气电池中的应用
　　DOI:10.1016/j.compositesb.2020.108058
　　本研究通过静电纺丝结合两步热解法成功合成了三维（3D）红千层状分层网络结构催化剂（CoNC/NCNTs@CNF），其中Co纳米颗粒被封装在N掺杂的碳纳米管顶点内。得益于独特的3D红千层状结构，CoNC/NCNTs@CNF可提供足够的表面积（261 m2 g-1）和增强的电子电导率（甚至优于Pt/C和RuO2）。由于高Co–N–C活性位点与独特的3D 红千层状结构之间偶联的协同作用，CoNC/NCNTs@CNF可用作氧还原反应、析氧反应和析氢反应的三功能电催化剂。此外，研究者将催化剂组装成用于锌-空气电池的空气电极，其最大功率密度为260 mW cm-2，甚至在5 mA cm-2下经过43小时也具有出色的循环稳定性。因此，这项工作为金属有机框架衍生的3D结构材料与电子反旋技术的结合提供了设计指南，从而在可再生能源技术中得到更广泛的应用。
　　图1.红千层状分层CoNC/NCNTs@CNF的制备过程示意图。（a）以MeIM和PAN为前驱体通过常规静电纺丝法合成一维纳米纤维。（b）ZIF-8/ZIF-67@PAN纤维是通过使纳米纤维与甲醇溶液反应得到的，甲醇溶液是含有Zn2+、Co2+的混合金属盐。（c）PAN纤维在900℃的N2气氛中热解。
　　图2.显微镜测量材料演变的过程。（a，b）分别是一维纳米纤维和ZIF-8/ZIF-67@PAN纤维的SEM图像。（c，d）不同放大倍数的CoNC/NCNTs@CNF的SEM图像（插图是红千层的数码照片）。（e，f，i）CoNC/NCNTs@CNF的TEM图像和相应的元素映射。（g，j）分支尖端的TEM图像和相应的元素映射。h）CoNC/NCNTs@CNF尖端的HR-TEM图像。
　　图3.（a）所制备产品的XRD图谱。（b）CoNC/NCNTs@CNF的XPS全扫描以及C 1s（c）、N 1s（d）和Co 2P（e）的高分辨率XPS。（f）材料演变的N2吸附-解吸等温线。
　　图4.最终产品的ORR性能。（a）在O2饱和的0.1 M KOH中，以1600rpm进行ORR的不同催化剂的LSV曲线。（b）NC@CNF、CoNC@CNF、CoNC/NCNTs@CNF和Pt/C催化剂的Tafel图。（c）CoNC/NCNTs@CNF催化剂在各种电势下的Koutecky-Levich图。（d）在O2饱和的0.1 M KOH溶液中，CoNC/NCNTs@CNF催化剂的H2O2产率和电子转移数。（e）由不同催化剂的EIS测量得出的奈奎斯特图。（f）在1600rpm下、O2饱和的0.1 M KOH中，CoNC/NCNTs@CNF和Pt/C在0.5 V下40,000s的电流时间（i-t）计时电流响应。
　　图5.最终产品的OER性能。（a）在1 M KOH中以1600rpm进行OER的不同催化剂的LSV曲线。（b）NC@CNF、CoNC@CNF、CoNC/NCNTs@CNF和RuO2催化剂的Tafel图。（c）由不同催化剂的EIS测量得出的奈奎斯特图。（d）在1 M KOH中不同电流密度下CoNC/NCNTs@CNF的计时电位曲线。（e）相对于各种样品的扫描速率绘制的电流密度差。（f）CoNC/NCNTs@CNF的OER稳定性测试，在1 M KOH中的初始极化曲线和第2000极化曲线。
　　图6.不同样品的HER性能。在1 M KOH中，CoNC/NCNTs@CNF的HER极化曲线（a）和相应的Tafel光谱（b）以及比较的样品。（c）具有300 mV相同超电势的不同样品修饰电极的奈奎斯特图。（d）CoNC/NCNTs@CNF的多电流过程。电流密度始于-10 mA cm-2，终于-60 mA cm-2。（e）相对于不同样品的扫描速率绘制的电流密度差。（f）在1 M KOH的稳定性测试中，CoNC/NCNTs@CNF催化剂在2000个CV循环前后的LSV曲线。
　　图7.（a）一次锌空气电池的示意图。（b）使用CoNC/NCNTs@CNF或Pt/C-IrO2作为两个空气电极的锌空气电池的充放电极化曲线。（c）CoNC/NCNTs@CNF和Pt/C-IrO2的V-I极化和相应的功率密度曲线。（d）基于CoNC/NCNTs@CNF的锌空气电池的照片，显示测量的开路电压约为1.42 V。（e）在双电极结构中涂有CoNC/NCNTs@CNF材料的水分解用碳纸的照片。（f）由锌空气电池供电的CoNC/NCNTs@CNF的总水分解的理论计算和实验测量的气体量与时间的关系。（g）5 mA cm-2的可充电锌空气电池的恒电流充放电循环曲线。
　　链接地址：http://www.espun.cn/News/Detail/43216
　　文章来源：易丝帮