湖南大学中国农业大学剑桥大学–非贵金属催化剂和锌石墨烯薄膜用于苛刻电解质中的低成本和超长耐久性固态锌空电池

探索和开发用于氧还原反应（ORR）的具有成本效益、超长耐久性和高性能的非贵金属催化剂来替代用于电化学能量转换装置的铂基催化剂仍然是一个巨大的挑战。尽管几种类型的非贵金属催化剂（N掺杂石墨烯、过渡金属纳米粒子、单原子金属-氮-碳等）声称与商业 Pt/C 相比具有相当或压倒性的催化性能，但它们的长效耐久性，特别是在苛刻的电解质中，对于实际应用仍然不能令人满意。这里，研究人员通过结构设计制备了Fe₃C量子点均匀镶嵌在氮掺杂多孔碳空心球壳层中的ORR催化剂（Fe₃C@N/MCHSs）。实验结果分析和理论计算均表明，电子在Fe₃C量子点与氮掺杂碳形成的莫特-肖特基（Mott-Schottky）异质结界面上的重新分布可以促进电子转移速率，降低能量势垒，从而提高催化剂对ORR的本征催化活性。因为 Fe₃C 量子点提供了快速的电子转移到 NG 的价带。分子动力学模拟表明，NG中的石墨烯结构在腐蚀性极强的电解液中相对稳定，避免了Fe₃C量子点的腐蚀。结合锌/石墨烯复合膜和固态电解质，Fe₃C@N/MCHSs在固态锌-空气电池中具有1.506 V的高开路电压、706.4Wh Kg^-1的高能量密度和1000小时的长期稳定性，这推进了锌空气电池向实际应用方向迈出了一大步。

Figure 1. Fe₃C@N/MCHSs 和 Fe₃C-NG Mott-Schottky异质结的制备示意图。

Figure 2. 所制备的 Fe ₃C@N/MCHSs 的形态表征：a) SEM 图像；b) 透射电镜；c,d) HRTEM 图像；e) 典型的 TEM 图像和相应的 C、N、O 和 Fe 元素映射；f) C和Fe元素的组合映射图像；g) 明场和 h) 暗场 TEM 图像；i) HAADF-STEM 图像和相应的 NG 和 Fe₃C；j) Fe₃C量子点和单层N掺杂石墨烯形成的TEM图像和相对Mott-Schottky异质结；k) Fe箔、铁(II)酞菁(FePc)和Fe₃C@N/MCHSs的K边XANES光谱；l) Fe₃中 Fe K-edge 的 EXAFS 光谱的傅里叶变换 (FT) k 3 -加权 χ( k )-函数C@N/MCHS；m) Fe₃C@N/MCHS的k 3加权 EXAFS 信号的小波变换。

Figure 3. a) 泡沫镍上 Fe₃C@N/MCHSs 正极的制造工艺，b) 固态电解质的制备，以及 c) 柔性锌/石墨烯负极的制备。

Figure 4. Fe3C@N/MCHSs催化剂的电化学性能表征。(a) Pt/C，N/MCHSs和Fe3C@N/MCHSs的循环伏安(CV)测试；(b) 线性扫描伏安曲线(LSV)；(C) Fe3C@N/MCHSs在不同转速下的LSV和(插图)相应的Koutecky-Levich图；(d) Pt/C和Fe3C@N/MCHSs催化剂的甲醇毒化对比；(e) Pt/C和Fe3C@N/MCHSs催化剂的稳定性测试；(f) 在碱性溶液中Fe3C@N/MCHSs与其他报道的铁基非贵金属电催化剂的性能对比；Fe3C@N/MCHSs 为阴极催化剂的液态锌-空气电池：(g) 液态锌-空气电池装置示意图；(h) 开路电压；(i) 倍率性能；(j) 放电比容量；(k) 功率密度；(l) 充放电循环曲线；Fe3C@N/MCHSs 为阴极催化剂的固态锌-空气电池：(m) 固态锌-空气电池装置示意图；(n) 开路电压；(o) 给手机充电；(p) 1000小时超长稳定性测试。

Figure 4. Fe3C@N/MCHSs催化剂电子结构表征及理论计算。(a，b) Mott-Schottky异质结接触前和接触后Fe3C和NG的能带图；(c) ORR催化机制；(d, e) Fe3C@NG模型的电荷分布；(f) Fe3C@NG模型上的ORR过程；(g) 能量阶梯示意图；(h) G，NG，Fe3C和Fe3C@NG不同活性位点在ORR催化过程中各步骤的能量变化；(i) Fe3C@NG在不同势能下的能量分布图；(j) Fe3C@NG在0.5 M H₂SO₄溶液中的分子动力学(MD)模拟。

相关研究工作由湖南大学/中国农业大学/剑桥大学Huanxin Li 、Bingcheng Luo等课题组于2022年在线发表于《Advanced Functional Materials》，原文：Non-Noble-Metal Catalyst and Zn/Graphene Film for Low-Cost and Ultra-Long-Durability Solid-State Zn-Air Batteries in Harsh Electrolytes。