电纺丝合成锌空气电池碳纳米纤维基无贵金属氧反应催化剂研究进展

　　黑龙江大学王蕾J. Power Sources：静电纺丝合成用于锌空气电池的碳纳米纤维基无贵金属氧反应催化剂的研究进展
　　DOI: 10.1016/j.jpowsour.2021.230280
　　日益严重的能源和环境危机使得环保、可再生能源设备的开发和利用迫在眉睫。锌-空气电池（ZABs）由于其高能量密度和较好的安全性被认为是一种高效的能源装置，因此开发用于空气-正极的双功能氧反应催化剂具有重要意义。静电纺丝技术在一维碳纳米纤维基无贵金属氧催化剂的设计和合成中引起了广泛的关注。本工作旨在系统总结静电纺丝制备碳纳米纤维基无贵金属催化剂用于ZABs空气-正极的研究进展。首先，简要介绍了空气-正极的氧反应机理。然后，综述了用于ZAB的无金属纳米纤维、过渡金属基纳米纤维和其他无贵金属纳米纤维催化剂的结构特征和性能。最后，重点介绍了静电纺丝制备碳纳米纤维催化剂的设计原理。阐述了开发用于ZABs的碳纳米纤维基无贵金属催化剂的当前挑战和未来前景。该综述全面介绍了静电纺丝在ZABs中的应用，为高性能空气-正极的设计奠定了基础。
　　图1.（a）N-CFs-1100的氮气吸附-解吸等温线和孔径分布。（b）每个样品的N含量。（c）所制备样品的环和盘电流密度。（d）NPCNF合成示意图。（e）初级ZABs的示意图。（f）ZABs在5 mA cm-2下使用四种不同催化剂的长期恒电流放电。（g）柔性ZABs的拆解图。（h）使用NPCNF的ZABs在2 mA cm-2下的长期恒电流放电。
　　图2.（a）Co SA@NCF/CNF的HAADF-STEM。（b）Co SA@NCF/CNF和参照的Co FT k3加权EXAFS光谱。（c）解卷积N1s XPS光谱。（d）U=0V和U=1.23V时两个模型的自由能图。（e）Co-N4/C上的ORR和（f）Co-N4/C上的OER。
　　图3.（a）Co2p XPS光谱。（b）基于CoNCNTF/CNF的固态锌空气电池的电压-容量曲线以及（c）放电极化曲线和功率-电流密度曲线。（d）ZIF-67微晶在溶液中或在PAN纤维上生长的示意图，以及它们各自的热解产物C-ZIF-67和C-PAN@ZIF-67。（e）C-PAN@ZIF-67、C-ZIF-67、C-PAN和Pt/C的LSV曲线。（f）配备C-PAN@ZIF-67的ZnAB机械再充电试验的恒电流放电曲线。（g）使用C-PAN@ZIF-67（黑色）和Pt/C（红色）的ZnABs的极化和功率密度曲线。
　　图4.（a）CCO@C纳米管作为电催化剂的优势示意图。（b）Rietveld精细化XRD图谱。（c）含CuO4四面体（绿色）和CoO6八面体（蓝色）的晶体结构。（d）ORR极化曲线。（e）OER极化曲线。（f）Mn K-edge XANES曲线、Mn K-edge EXAFS振荡函数（插图）和（g）相应的傅立叶变换。（h）通过DFT计算CMO和S掺杂CMO的DOS。（i）所合成Co2P@CNF复合材料的TEM图像，（j）Co2p XPS光谱。（k）基于Co2P@CNF和基于Pt/C的ZABs的充放电曲线。
　　图5.（a）具有增强ORR催化活性的互连分层多孔纤维的示意图。（b）样品的RDE伏安图。（c）锌空气电池的极化和功率密度曲线。（d）LSV曲线。（e）Zn/Co-N@PCNFs-800和20wt％Pt/C对甲醇的耐久性测试。（f）由核壳PAN@ZIF-67纤维合成杂原子掺杂碳纳米纤维的示意图。（g）整体LSV曲线。（h）锌空气电池的放电极化和功率密度曲线。
　　图6.（a）CNCo-5@Fe-2催化剂的ORR电催化机理。（b）CNCo-5@Fe-2的HRTEM图像。（c）CNCo-5@Fe-2以及参照FePc和Fe箔的实验Fe K-edge FT-EXAFS光谱。（d）Ni|MnO/CNF催化剂的制备过程示意图。（e）NiO/NiCo2O4纳米纤维的EDX映射。（f）NiO、（g）NiCo2O4和（h）NiO/NiCo2O4纳米纤维的DOS图。（i）电池的比容量，（j）充放电循环曲线。
　　图7.（a）LCNP@NCNF制备示意图。（b）La-Co复合物@PAN的SEM图像。（c）锌-空气电池的放电-充电极化曲线和（d）恒电流放电-充电循环曲线。（e）LaCoO3纳米颗粒和碳纳米纤维对锌空气电池中ORR/OER的关键作用示意图。
　　图8.（a）高柔性Co SA@NCF/CNF在伸缩、弯曲和扭转状态下的数码照片。（b）柔性全固态锌空气电池的示意图。插图显示其柔性。（c）在0°、30°、60°、90°、120°和150°弯曲角下的放电曲线。（d）电池在不同弯曲状态下的循环性能。（e）由两个纽扣电池供电的绿色、红色、黄色、蓝色和白色LEDs的照片。
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