河北工业大学机械工程学院–石墨烯包覆双金属纳米颗粒双官能团电催化剂用于可充电锌-空气电池

开发高效稳定的析氧/氧还原反应(OER/ORR)双功能电催化剂是锌-空气电池（ZABs）应用的关键和挑战。在这项工作中，成功地制备了还原氧化石墨烯封装、金属有机框架(MOF)衍生的NiCo双金属纳米颗粒基双功能催化剂(NiCo@rGo)。片状的rGo和MOF衍生物相互缠绕，形成了较大的比表面积和丰富的孔隙结构，有利于活性催化位点的暴露，同时保证了催化剂较高的电子导电性。与单金属钴纳米颗粒相比，钴和镍纳米颗粒的协同作用丰富了活性中心，提高了本征催化活性，从而提高了催化性能。得益于上述优点，NiCo@rGo表现出高效的催化活性，在10 mA cm^-2条件下，氧还原半波电位为0.85 V，析氧过电位为460 mV。此外，NiCo@rGo的锌-空气电池的开路电压为1.49 V，峰值功率密度高达110.45 mW cm^-2，并且在180小时内具有优异的稳定性。这为构建高性能ZABs的双金属还原氧化石墨烯复合材料提供了参考。

图1. NiCo@rGo制备工艺原理图。

图2. (a,b) Ni@ZIF-67和NiCo@rGO的SEM图像;(c,d) NiCo@rGO的TEM图像，(e) NiCo@rGO的HRTEM图像;(f) Ni(111)和Co(111)平面的逆FFT点阵图像和点阵间距图像;(g) NiCo@rGo的TEM元素映射。

图3. (a) ZIF-67、Ni@ZIF-67和NiCo@rGO样品的XRD图谱;(b,c) NiCo@rGO, Ni@ZIF-67@GO, Co@rGO的N₂吸附-脱附等温线及其孔径分布;(d-g) NiCo@rGO的Co 2p、Ni 2p、N 1 s和O 1 s XPS谱;NiCo@rGO在(h) ORR和(i) OER的不同电位下的原位拉曼光谱

图4. NiCo@rGO、Ni@ZIF-67@GO、Co@rGO和Pt/C 的(a) ORR的LSV曲线及(b)对应的Tafel曲线;(c) ORR的EIS曲线;(d) NiCo@rGO在不同转速下ORR的LSV曲线和(e) NiCo@rGO在不同电压下对应的K-L图;(f) 1600 rpm时NiCo@rGO、Ni@ZiF-67@GO、Co@rGO和Ir/C的OER LSV曲线;(g) OER的EIS曲线;(h) NiCo@rGO和Ir/C OER的计时电流法曲线;(i)标准自由能OER/ORR通路图。

图5. (a)锌-空气电池原理图;(b) NiCo@rGo基电池开路电压;(c)功率密度和放电极化曲线; NiCo@rGo和Ir/C Pt/C电池(d) 10 mA cm^-2时的比容量和(e)长期充/放电测试。

相关研究成果由河北工业大学机械工程学院、省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室、河北省机器人感知与人机融合重点实验室Bo Zhu等人于2022年发表在Journal of Electroanalytical Chemistry (https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2022.116946)上。原文：Graphene-wrapped bimetallic nanoparticles bifunctional electrocatalyst for rechargeable Zn-air battery。