武汉理工大学材料学院木士春

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三维ZIF衍生的一维Co-Nx/C纳米棒ORR/OER双功能电催化剂及锌-空电池性能

与氢燃料电相似，可充锌空电池充放电过程中在空气侧电极分别发生的氧析出反应（OER）/氧化还原反应（ORR）动力学非常缓慢。虽然Pt、 Ir等贵金属电催化剂对ORR/OER具有较高的催化活性，但其昂贵的价格和严重稀缺的资源限制了可充锌空电池的发展。因此，急需一种高效、价格低廉且资源丰富的非贵金属催化剂作为替代。当前，可充锌空电池非贵金属催化剂的研究中已取得了积极进展，其中具有大比表面积的M-N/C体系材料成为人们的研究热点。过渡金属有机框架（MOF）材料是获得M-N/C的重要前驱体，但是高温直接碳化会导致氮（N）含量和孔隙率下降从而严重影响材料的多功能催化性能。因此，需要构筑合适的结构来保证材料的N含量和孔隙率保持稳定。

针对上述科学问题，武汉理工大学木士春教授课题组通过制备三维（3D）ZIF材料设计和构筑出了一种一维Co-Nx/C纳米棒阵列电催化剂。一维纳米棒结构可有效避免过高温碳化导致材料的N含量和孔隙率的降低，并有效阻止碳化过程中Co的团聚从而形成大量的Co-N活性位点。测试结果表明，一维Co-Nx/C纳米棒阵列材料具有优异的ORR（E1/2=0.877V）/OER（ηj=10=0.3V）电催化活性和稳定性。作为一种高效的双功能催化剂（Ej=10(OER)-E1/2(ORR)=0.65V），将其用于可充锌空电池的阴极催化剂时，在5mA/cm2电流密度下的效率达到了65.7%。全固态锌空电池的开路电压达到了1.42V，电池的能量密度高达853.12 Wh kgZn–1，为理论能量密度的78.6%，并在高电流下的充放电测试中都展现出优异的稳定性。一维Co-Nx/C纳米棒阵列优异的多功能电催化性能应归因于其化学组分之间的协同效应、高比表面积以及拥有大量活性位点的纳米棒结构。此外，DFT理论计算结果和SCN– 毒化实验均进一步证明了Co-N是最佳的活性位点，对提高一维Co-Nx/C纳米棒阵列的催化性能起着非常重要的作用。该项研究成果为多功能催化剂材料的设计和构筑，以及电化学能源器件的研发提供了新的方向。相关文章在线发表在Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.201704638）上。