负载Co3O4纳米颗粒的N掺杂电纺碳纳米纤维作为锌-空气可充电电池的高效双功能氧电催化剂

DOI: 10.1039/c9qi01020c

由非贵金属氧化物和N掺杂的碳材料组成的复合材料由于其两种成分的协同作用，是用于锌-空气电池（ZABs）的潜在双功能催化剂。本文中，设计并合成了负载在N掺杂电纺碳纳米纤维（CNFs）上的Co₃O₄纳米颗粒，该纳米纤维对ORR/OER具有优异的双功能活性，并且在碱性电解质中具有出色的电催化稳定性。另外，与使用Pt/C和IrO₂的贵金属催化剂相比，杂化电催化剂进一步促进了可再充电锌-空气电池的低超电势、高效率和延长的循环寿命。如此出色的双功能催化活性归因于增强的电荷转移能力、丰富的暴露催化活性位点以及Co₃O₄纳米颗粒和CNFs之间的协同效应。这项工作将为非贵金属和碳杂化材料的设计提供便捷的途径，这些材料可用作大规模可再生能源转换设备的高效电催化剂。

图1 Co₃O₄/N-ACCNF的制备工艺及生长机理

图2（a）Co₃O₄/N-ACCNF、（b）Co₃O₄/N-CNF、（c）Co₃O₄的扫描电镜（d）Co₃O₄/N-ACCNF的透射电镜和高分辨透射电镜（d1、d2和d3是从d中选择的区域）。（e）Co₃O₄/N-ACCNF杂化的元素映射。

图3合成的Co₃O₄/N-ACCNF、Co₃O₄/N-CNF和Co₃O₄的XRD图谱。

图4（a）Co₃O₄/N-ACCNF的去卷积XPS全扫描光谱，（b）Co 2p，（c）O 1s和（d）N 1s。

图5（a）所制样品和市售Pt/C在0.1 M KOH电解质中的CV和（b）LSV曲线。虚线和实线分别表示N₂-饱和以及O₂-饱和的电解质。（c）Co₃O₄/ N-ACCNF和Pt/C的K-L曲线。（d）在不同电势下，Co₃O₄/N-ACCNF表面的HO₂^-百分比和电子转移数。（e）从（b）中的伏安图得出的Tafel曲线。（f）Co₃O₄/N-ACCNF和Pt/C在0.65 V时的计时安培响应。

图6（a）Co₃O₄/N-ACCNF、Co₃O₄/N-CNF、Co₃O₄和IrO₂的OER极化曲线。（b）Tafel 曲线。（c）双层电容测量，以确定电化学活性区域（ECSAs）。（d）拟合的EIS曲线。插图显示了用于拟合实验数据的等效电路（R_s是电解质电阻，CPE是双层电容，R_ct是电荷转移电阻）。（e）在10 mA cm^-2的恒电流响应。插图显示了1000次循环之前和之后的极化曲线。（f）稳定性测试后的SEM图像。

图7（a）基于Co₃O₄/N-ACCNF和基于Pt/C&IrO₂的锌-空气电池的开路图。（b）放电和充电极化（V-j）曲线。（c）含Co₃O₄/N-ACCNF和Pt/C&IrO₂的可充电锌-空气电池的V-i放电极化和相应的功率密度。（d）基于Co₃O₄/N-ACCNF和Pt/C&IrO₂的锌-空气电池循环性能。