新型高效双功能二维Co/Co3O4异质结@C复合催化剂在金属空气中的应用

能源问题是人类赖以生存和发展的不可或缺的基础。人类从各种渠道获得的能源需要通过相关器件如各类化合物、锂硫和金属空气等电池进行转化与存储,而存储和转化效率以及寿命是该类材料和器件的关键指标和参数。对于金属-空气电池,尽管有较高理论能量密度、低成本和高安全性,但与其催化剂密切相关的氧还原和析氧动力学以及在苛刻碱性电解液条件下稳定性的限制,很难发挥其独特优势。因此,发展高效、长寿命双功能催化剂十分重要。众所周知,贵金属Pt,Ru以及Ir等可作为氧电催化剂,但其双功能催化特性不尽人意,而且资源稀缺及价格昂贵也限制了其实际应用和发展。而过渡金属氧化物如Co3O4等是一类很有潜力的金属-空气电池电催化剂,但由于其导电性及催化效率等原因限制,未能取得重要进展。因此,如何利用如结构设计与缺陷工程技术等改善其导电性相关属性进而提高其作为双功能催化剂的催化效率和稳定性是其获得实际应用的基本前提。

最近,国家纳米科学中心褚卫国研究组与滑铁卢大学陈中伟研究组合作通过设计并利用二维Zn基MOFs骨架中有机态碳的还原特性,调控钴离子氧化态成功制备了具有高表面积、髙度石墨化和高度分散的N和Co-Nx位点的钴/碳异质结复合材料,并将其作为电催化剂应用于金属空气电池。该电催化剂表现出优异的双催化功能,大幅度提高金属空气电池的电化学性能,如图所示。将其作为催化剂应用于锌-空气电池,与商业贵金属Pt/C和Ir/C催化剂相比,性能表现十分突出。经800h循环后电池极化由0.9 V增加到0.96V,而商业材料经40h循环后极化由0.82V增加到1.3V,最大输出功率密度为118.27 m W cm2,是商业材料的1.3倍,循环寿命可达800 h,而商业材料仅为40h。因此,该材料为锌-空电池的电催化剂表现出广阔的应用前景和巨大的应用潜力。这种优异性能主要是与异质结复合材料的结构与形貌密切相关。多孔石墨化碳层既能保证电化学过程中电子的快速传导又能保证物质快速传输;Co和Co3O4共格界面处存在大量氧缺陷和位错不仅利于电子输运,而且有利于物质的交换和输运;材料具有的分级孔结构有利于提供足够的活性位点从而加速电化学过程中的传质和扩散;氮掺杂的石墨化多孔碳通过钴和氮之间的共价键形成强相互作用,十分有利于电池在循环过程中保持结构的稳定性。

总之,钴/碳异质结复合材料独特的异质结耦合协同作用以及纳米颗粒和碳基底之间存在的强Co-N共价键导致该材料具有优异电子导电性、丰富活性位点和稳定的结构,是其具有高效电催化活性和极好稳定性的根本原因。该工作为开发复合双功能电催化剂提供了新的设计思路,也将对推动包括锌-空等金属-空气电池的发展与实际应用产生十分积极的作用。

相关文章在线发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201702900)上。

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