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(Rs是电解质电阻,CPE是双层电容,Rct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。