張鐵銳Nano Energy：三維碳骨架支撐的Ni3FeN雙功能催

 

　　原創(chuàng) 2017-09-04 張鐵銳課題組 材料人點(diǎn)擊上方“材料人” 即可訂閱我們

 

　　【引言】

 

　　可逆鋅空氣電池由于價(jià)格低廉、環(huán)境友好和能量密度高(1084 Wh kg-1)等優(yōu)勢(shì)，在便攜式交通工具和能量?jī)?chǔ)存器件應(yīng)用方面具有巨大潛力。該電池的核心組分是驅(qū)動(dòng)氧還原反應(yīng)(ORR)和析氧反應(yīng)(OER)的雙功能催化劑，但是其存在動(dòng)力學(xué)緩慢及循環(huán)穩(wěn)定性差等問(wèn)題。因此，發(fā)展廉價(jià)、高效的雙功能催化劑，對(duì)于推動(dòng)可逆鋅空氣電池的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。氮化物，如Ni3FeN等，因其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和半金屬特性，表現(xiàn)出優(yōu)異的OER性能。但是將Ni3FeN應(yīng)用于可逆鋅空氣電池中，面臨兩個(gè)瓶頸問(wèn)題：1)氮化物的ORR活性低;2)氮化物的在合成過(guò)程(氨氣氣氛煅燒)中易團(tuán)聚，難以得到更小尺寸、更多活性位暴露的氮化物，阻礙其OER性能的進(jìn)一步提升。

 

　　【成果簡(jiǎn)介】

 

　　近期，中科院理化技術(shù)研究所張鐵銳研究員等人在Nano Energy上發(fā)表一篇題為：“3D Carbon Nanoframe Scaffold-immobilized Ni3FeN Nanoparticle Electrocatalysts for Rechargeable Zinc-Air Batteries’ Cathodes”的文章。本論文利用組分間的協(xié)同效應(yīng)，可控制備了一種鈷氮共摻雜碳載體(Co,N-CNF)負(fù)載14 nm Ni3FeN的納米雙功能催化劑。其中，Co,N-CNF不僅具有優(yōu)良ORR性能，并可有效減小Ni3FeN在高溫合成過(guò)程中的團(tuán)聚問(wèn)題，從而縮小其尺寸，使得該復(fù)合催化劑的OER性能明顯優(yōu)于IrO2，ORR性能超過(guò)Pt/C，而且該復(fù)合催化劑可在可逆鋅空氣電池的高電流密度(50 mA cm-2)下穩(wěn)定工作。該策略為設(shè)計(jì)和合成多功能催化劑提供了新思路。

 

　　【圖文導(dǎo)讀】

 

　　Ni3FeN/Co,N-CNF的結(jié)構(gòu)示意圖

 

　　

 

 

 

　　圖1 Ni3FeN/Co,N-CNF的形貌及晶體結(jié)構(gòu)表征

 

　　

 

 

 

　　(A) 前驅(qū)體NiFe-LDH/Co,N-CNF的TEM圖;

 

　　(B)、(C) Ni3FeN/Co,N-CNF的TEM圖;

 

　　(D) 暗場(chǎng)TEM圖及對(duì)應(yīng)元素Mapping;

 

　　(E) XRD圖譜。

 

　　圖2 Ni3FeN/Co,N-CNF電子結(jié)構(gòu)表征

 

　　

 

 

 

　　(A) Ni3FeN/Co,N-CNF的Ni 2p XPS圖譜;

 

　　(B) Ni3FeN/Co,N-CNF的Fe 2p XPS圖譜;

 

　　(C) Ni3FeN/Co,N-CNF及對(duì)比樣的Ni XANES圖譜;

 

　　(D) Ni3FeN/Co,N-CNF及對(duì)比樣的Fe XANES圖譜。

 

　　圖3 ORR性能表征

 

　　

 

 

 

　　(A) ORR LSV曲線(xiàn);

 

　　(B) ORR LSV曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)塔菲爾斜率;

 

　　(C) Koutecky-Levich曲線(xiàn);

 

　　(D) 電子轉(zhuǎn)移數(shù)。

 

　　圖4 OER性能表征

 

 

　　

　　(A) OER LSV曲線(xiàn);

 

　　(B) OER LSV曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)的塔菲爾斜率;

 

　　(C) OER和ORR之間過(guò)電勢(shì)。

 

　　圖5 鋅空氣電池性能表征

 

 

　　

 

 

 

　　(A) 一次鋅空氣電池的功率性能比較;

 

　　(B) 可逆鋅空氣電池的充放電極化曲線(xiàn);

 

　　(C) 可逆鋅空氣電池在低電流密度(6 mA cm-2)下充放電循環(huán)曲線(xiàn);

 

　　(D) 可逆鋅空氣電池在高電流密度(50 mA cm-2)下充放電循環(huán)曲線(xiàn)。

 

　　【小結(jié)】

 

　　研究人員利用Co,N-CNF優(yōu)異的ORR性能和穩(wěn)定負(fù)載物效應(yīng)，成功地緩解了Ni3FeN的團(tuán)聚問(wèn)題，得到14 nm Ni3FeN負(fù)載Co,N-CNF雙功能催化劑，并可高效、穩(wěn)定地應(yīng)用于可逆鋅空氣電池中。該策略為高活性、多功能(OER, HER, ORR)催化劑的合成提供了思路，可廣泛應(yīng)用于金屬空氣電池、可充放電式燃料電池、全分解水以及其他能源領(lǐng)域。

 

　　文章鏈接：3D Carbon Nanoframe Scaffold-immobilized Ni3FeN Nanoparticle Electrocatalysts for Rechargeable Zinc-Air Batteries’ Cathodes (Nano Energy, 2017. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.08.040)

 

　　張鐵銳博士簡(jiǎn)介

 

　　張鐵銳，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員，博士生導(dǎo)師;中科院特聘研究員。2003年于吉林大學(xué)取得博士學(xué)位，在2004-2009年間曾先后于德國(guó)馬普膠體界面研究所、加拿大國(guó)家納米研究所和阿爾伯塔大學(xué)、阿肯色大學(xué)及加州大學(xué)河濱分校進(jìn)行博士后訪(fǎng)問(wèn)，2009年11月起就職于中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所。2017年當(dāng)選英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士。曾獲得萬(wàn)人計(jì)劃首批青年拔尖人才、英國(guó)皇家學(xué)會(huì)牛頓學(xué)者、國(guó)家自然科學(xué)基金委優(yōu)秀青年科學(xué)基金等獎(jiǎng)勵(lì)。

 

　　主要研究領(lǐng)域?yàn)橛糜跉涓咝鍧嵵苽浜屠玫募{米催化材料，共發(fā)表SCI論文130余篇，正面引用4000余次，申請(qǐng)中國(guó)專(zhuān)利24項(xiàng)(15項(xiàng)已授權(quán))。目前擔(dān)任Science Bulletin期刊副主編，Scientific Reports、Chinese Chemical Letters等期刊編委。