湖南大学等《AFM》：低成本、超长耐久固态锌空气电池！

探索和开发低成本、超长寿命、高性能的氧还原反应非贵金属催化剂(ORR)以取代铂基催化剂用于电化学能量转换装置仍然是一个巨大的挑战。尽管有几种非贵金属催化剂(N掺杂石墨烯、过渡金属纳米粒子、单原子金属-氮-碳等)。虽然与商用铂碳相比，它们的催化性能可以媲美现有催化剂，但它们的长期耐用性，特别是在苛刻的电解液中的耐久性，在实际应用中仍然不能令人满意。

来自湖南大学、中国农业大学和剑桥大学的学者合成了一种的Fe3C-NG催化剂，并对其进行了研究，以了解其在锌空气电池中的催化降解行为。实验分析和理论计算表明，由于Fe3C量子点提供了快速的电子转移到NG的价带，由Fe3C量子点和N掺杂石墨烯碳(Fe3C-NG)形成的Mott-Schottky异质结提高了ORR。分子动力学模拟表明，在腐蚀性极强的电解液中，NG中的石墨烯结构相对稳定，避免了Fe3C量子点的腐蚀。将锌/石墨烯复合薄膜与固体电解液相结合，优化后的含Fe3C-NG催化剂的锌-空气电池具有高开路电压1.506 V，高能量密度706.4 Wh kg-1,以及长达1000h的长期稳定性。相关文章以“Non-Noble-Metal Catalyst and Zn/Graphene Film for Low-Cost and Ultra-Long-Durability Solid-State Zn-Air Batteries in Harsh Electrolytes”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202200397

图 1.Fe3C@N/MCHS和Fe3C-NG Mott-Schottky异质结制备示意图.

图2.所制备的Fe3C@N/MCHSS的形态特征：a)扫描电子显微镜图像；b)电子显微镜图像；c，d)高分辨电子显微镜图像；以及e)典型的电子显微镜图像和相应的C、N、O和Fe元素映射；f)C和Fe元素的组合映射图像；g)亮场和h)暗场电子显微镜图像；i)相应的NG和Fe3C的HAADF-STEM图像。

图3.a）镍泡沫上Fe3C@N/MCHSs阴极的制造工艺，b）固态电解质的制备，c）柔性Zn/石墨烯阳极电极的制备。

图4.a)商用Pt/C、N/MCHSS和Fe3C@N/MCHSS在N2和O2饱和的0.1M KOH中以50 mV/s的扫描速率的CV；b）在O2饱和0.1 M KOH下，在1600 rpm转速下各种电催化剂的LSV；c)在O2饱和的0.1 M KOH中的Fe3C@N/MCHSS在不同的转速下的LSV和(插图)相应的K-L曲线；d)用于甲醇交叉试验的商用铂/C和Fe3C@N/MCHSS的计时电流曲线；f)与最先进的单一催化剂的比较；g)锌空气电池示意图；h)开路电压；i)速率性能；j)比容量；k)功率密度和l)具有铂碳和Fe3C@N/MCHSS催化剂的锌空气电池的充放电循环次数。

图 5.Fe3C@NG的莫特-肖特基异质结示意图：a）接触前和b）接触后;c） ORR机制; d，e）Fe3C@NG模型的电荷分布;f） Fe3C@NG模型上的ORR过程;g）示意图能量溢出和h）G，NG，Fe3C和Fe3C@NG板的不同活性位点上ORR途径的能量变化;i）在Fe3C@NG上以不同电位下的能量跃升;j）在0.5M H2SO4溶液中Fe3C@NG的分子动力学（MD）模拟。

综上所述，本文报道了一种非贵金属Fe3C-NG催化剂，其催化活性和耐久性可与商用铂/碳相当，用于固态锌空气电池的实用ORR。揭示了Fe3C-NG催化剂中的Mott-Schottky等促进了电子转移和电荷密度重分布对催化剂性能的调节作用。特别是对于Fe3C-NG异质结，通过适当的设计和调节，由于莫特-肖特基异质结和电荷密度的重新分布，同时实现了快速的电子转移和低能垒。分子动力学模拟表明，石墨烯层阻止了Fe3C与H3O+、OH-和H2O之间的接触，唯一影响降解的是石墨烯层中掺杂的N原子。通过制备锌/石墨烯复合薄膜和固态电解液，进一步解决了锌空气电池普遍存在的自腐蚀、锌枝晶、稳定性差等问题，优化后的Fe3C-NG催化剂锌空气电池的开路电压达到1.506 V，能量密度达到706.4 Wh kg-1，长期稳定性达到1000h，向实际应用迈进了一大步。本文的工作为理解用于ORR的非贵金属Fe3C-NG异质结构催化剂提供了一些新的见解，也为制造低成本、高能量密度、长时间循环的锌空气电池提供了新的途径。

审核编辑 ：李倩