广东工业大学《ACS AEM》：原位剥离的石墨烯样碳纳米片与生物炭管紧密耦合，作为可应用型锌空气电池的阴极

成果简介

锌-空气电池（ZAB）是新一代的储能和转换装置，但其应用仍然受到阴极材料缓慢的氧还原反应（ORR）动力学的阻碍。本文，广东工业大学余林教授团队在《ACS AEM》期刊发表名为“In Situ Exfoliated Graphene-Like Carbon Nanosheets Strongly Coupled with the Biochar Tube as the Cathode for an Application-Ready Zn-Air Battery”的论文，研究提出一种从生物炭管中原位剥离石墨烯状碳纳米片（GCNs）的方法，该方法将碳活化、碳化和N掺杂结合在一个单锅过程中。剥落的GCNs具有显著的半波电位（0.85 V @ 3 mA cm-2）和对NPC-900的ORR的高稳定性，优于大多数报道的N掺杂碳材料。在实际应用方面，使用三维（3D）打印设备模拟组装了三种不同形式的ZAB，用于不同的实际应用场景。这项工作提供了一种简单和可持续的方法来合成具有优良ORR性能的N掺杂生物炭催化剂，为其作为ZAB阴极的应用提供了广阔的潜力。

图文导读

图1.用饱和NH4Cl水溶液浸泡后，通过PC的一步热解制备N掺杂碳管的示意图。

图2.（a）PC的SEM；（b） PC-900的扫描电镜；（c） NPC-900的扫描电镜；（d，e）GCN的TEM；（f） GCN的HRTEM；（g） SAED模式；（h） 映射区域的HAADF-STEM图像（白色正方形）；以及（i–l）C、O和N的相应元素映射。

图3.（a）XRD图；（b） 拉曼光谱；（c） PC-900和NPC-X的XPS测量光谱；（d） NPC-800的N 1s；（e） NPC-900的N 1s；和（f）NPC-1000的N 1s。

图4.（a）PC基碳的变异系数（CV）曲线；（b） NPC-900在N2和O2饱和的0.1M KOH水溶液中的CV曲线；（c） 1600 rpm下所有样品的LSV曲线；（d） 塔菲尔斜坡；（e） 1600 rpm时的RRDE；（f） H2O2产率和电子转移数；（g） NPC-900和Pt/C在0.5V（vs RHE）下在O2饱和的0.1M KOH水溶液中在400rpm下的ORR的计时安培曲线；（h，i）NPC-900的N2吸附/解吸等温线和相应的孔径分布。

图5. 组装的液体ZAB

图6.（a）柔性ZAB示意图；（b） 适用于3D打印风车的灵活ZAB；（c） 按钮ZAB示意图；（d） 应用于3D打印模型车的按钮单元；（e） 柔性和纽扣电池ZAB在1、2和5 mA cm–2的不同电流密度下的放电电压曲线；（f） 柔性和纽扣电池ZAB的极化和功率密度曲线。

小结

本研究结合了成本效益高的生物质材料和获得具有优异ORR能力的N掺杂生物炭催化剂的简单策略，这为从天然材料合成具有高商业应用潜力的低成本和优异ORR碳催化剂提供了路线图。

文献：https://doi.org/10.1021/acsaem.2c02976