Small Methods孙灵娜团队在利用原子层沉积技术制备高效的锌空气电池阴极催化材料方面取得进展

全部

科研技术

Small Methods孙灵娜团队在利用原子层沉积技术制备高效的锌空气电池阴极催化材料方面取得进展

来源：深圳大学 2022-07-04

导读：近日，深圳大学化学与环境工程学院孙灵娜教授团队在《Small Methods》（影响因子14.188，中科院JCR 1区）上发表题为《Defective Fe3O4-x Few-Atom Clusters Anchored on Nitrogen-Doped Carbon as Efficient Oxygen Reduction Electrocatalysts for High-Performance Zinc–Air Batteries》的研究论文。该团队的褚盼盼硕士研究生和张颖朦研究员为共同第一作者，深圳大学孙灵娜教授与加利福尼亚大学陈少伟教授为共同通讯作者，深圳大学为第一通讯单位。

锌空气电池（ZAB）因金属锌储量丰富、价格低廉，以及在理论能量密度（1086 Wh kg-1）和安全性等方面的优势，被誉为是新一代的绿色能源技术。但是锌空气电池的实际应用受限于氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）缓慢的反应动力学。贵金属基催化材料虽然具有不错的ORR和OER性能，但因其储量稀缺、价格昂贵和稳定性差，仍然无法满足实际的应用需求。因此需要开发高效稳定的非贵金属基催化材料作为锌空气电池的空气阴极催化剂。

鉴于此，深圳大学孙灵娜教授课题组联合加州大学陈少伟教授课题组，以Zn-ZIF为模板，使用等离子体增强原子层沉积技术在ZIF上沉积一层原子级厚度的Fe3O4，随后经过1000 ℃的可控热解处理，Fe3O4转化为具有丰富氧空位的 Fe3O4-x 团簇，并锚定在Zn-ZIF衍生的氮掺杂碳框架上。优化条件所制备的纳米复合物（Fe3O4-x/NC-1000）在碱性和酸性介质中均表现出优异的氧还原性能（碱性介质中半波电位可达0.930 V vs. RHE）、长循环性能和抗甲醇毒化作用。如此优异的ORR性能主要归因于：1、原子级厚度的Fe3O4沉积在二维Zn-ZIF上，使得后续处理所得的缺陷 Fe3O4-x在碳骨架上富集，活性位点得到了充分的暴露；2、氧空位对导电性、氧吸附能力以及电子转移动力学的提升；3、具有电荷再分布作用的氮掺杂石墨化碳，既可以作为质子和电子转移的良好媒介，又可以作为锚定 Fe3O4-x团簇的基体。鉴于Fe3O4-x/NC-1000具有优异的ORR性能，将其作为锌空气电池的空气阴极催化剂层，具有高达158 mW cm-2的能量密度，在5 mA cm-2电流密度下可以超过600小时稳定充放电循环2000圈。