“结构-活性位”双功能氧电极催化剂及其可逆锌-空气电池

heligui

        可逆锌-空电池安全、环保，具有高的理论能量密度（1086 Wh kg-1）及低成本等优点，但在电池充放电过程中，氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）通常需要在较高的过电位进行，其缓慢的动力学过程严重制约了锌-空电池的能量转化效率。贵金属Pt和Ir/Ru基催化剂是目前催化ORR、OER反应最好的材料，但是高昂的成本限制了其大规模应用。此外，O2在电解液中的溶解度很低（10-4 mol L-1 in 6 M KOH），强化O2的传质有助于提高催化活性。因此，设计一种廉价、高效ORR/OER的双功能催化剂成为可逆锌-空电池研究的重要内容之一。

       针对上述问题，国防科技大学雷永鹏、王应德和福建物质结构研究所王要兵研究员等以氧化石墨烯为原料，利用热处理过程中金属催化原位生长碳纳米管原位形成Fe-Nx、Fe@C结构，构建三维石墨烯/碳纳米管复合物。一方面，Fe-Nx作为催化活性位，接受来自 Fe@C 注入的热电子，ORR/OER活性得到大幅提升；另一方面，NG/NCNTs复合结构有利于电子转移和传质。Fe@C-NG/NCNTs 在碱性条件下表现出优异的双功能ORR/OER活性，作为氧电极组装的锌-空电池表现出与Pt/C+IrC催化剂相当的活性。其研究成果发表在Journal of Materials Chemistry A上（Fe/Fe3C@C Nanoparticles Encapsulated in N-Doped Graphene-CNTs Framework as An Efficient Bifunctional Oxygen Electrocatalyst for Robust Rechargeable Zn-air Batteries）。