韩国蔚山国家科学技术研究所Ji-Hyun Jang课题组–具有高活性和稳定性的石墨烯基双功能催化剂用于Zn-Air电池

具有高活性和高稳定性的碳基电催化剂非常适合用于锌空气电池。然而，碳腐蚀反应（CCR）是可充电锌空气电池的一个关键障碍。在这项研究中，报道了一种具有成本效益的碳基新型材料，通过简单的石墨化工艺制备，对氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）具有高催化效果和良好的耐久性。通过引入过渡金属合金的催化晶格，石墨烯的原位生长被用于 3D 金属配位水凝胶。由于在金属合金装饰的 3d 碳网络上直接生长了几层石墨烯，在重复的 OER 测试中观察到 CCR 大大降低。结果，在碱性介质中，在10 mA cm⁻²的电流密度下，实现了高效的双功能电催化性能，ΔE值为0.63 V，并且具有良好的电化学耐久性83 h。此外，氮掺杂碳载体上的石墨烯封装的过渡金属合金在锌空气电池系统中表现出优异的催化效果和良好的耐久性。这项研究提出了一种克服碳基材料 CCR 的直接方法，用于电化学催化剂，广泛应用于能量转换和能量存储设备。

Fig 1.从明胶与过渡金属制备金属配位前体。 a) 过渡金属配位明胶形成示意图； b）明胶衍生水凝胶和过渡金属配位水凝胶的FT-IR光谱； c) 冻干法（FD：Freeze-drying）制备的参比明胶和金属配位明胶的孔径分布； d,e) (d) 参考明胶和 (e) 金属配位明胶的 SEM 图像。 f) 冻干金属配位明胶的 TOF-SIMS 映射图像。 g,h) 冻干明胶 (g) 和金属配位明胶 (h) 的 2D WAXD 图像。

Fig 2.3d-GMC 的表面形态特性。 a) 3d-GMC的SEM图像； b) 3d-GMC的TEM图像； c) 3d-GMC 的 TEM 映射图像显示金属合金的不均匀分布； d）3d-GMC的N₂吸附/解吸等温线（插图：3d-GMC的孔径分布曲线）； e) M/C 和 3d-GMC 的 TOF-SIMS 正谱。

Fig 3.3d-GMC的结构特征。 a) 3d-GMC中金属表面石墨烯和氮掺杂碳域的拉曼光谱；来自 3d-GMC 的 b) C1s、c) N1s 的 XPS 光谱； d) 3d-GMC的XRD谱； e) XANES 和 f) 样品的 FT-EXAFS。

Fig 4.3d-GMC的电化学测试。a) ORR 和 c) OER 的商业 Pt/C 和 Ir/C、M/C 和 3d-GMC 的 RDE 极化曲线；b) ORR 活性和 d) OER 活性相应的塔菲尔图；磁盘转速固定为1600转/分钟。e) M/C（黑色）、3d-GMC（红色）和 Pt/C + Ir/C（蓝色）的双功能：图中提供了每种催化剂的双功能值（即 ORR 和 OER 之间的起始电位差 (ΔE)）。f) M/C（黑色）和3d-GMC（红色）在10 mA cm⁻² 电流密度下的耐久性测试。使用0.1 M KOH作为电解质进行电催化测试。 g) OER 测试后的 3d-GMC 的 TEM 图像。 h–j) 锌空气电池 3d-GMC 的完整电池性能。 (h) 倍率性能，(i) 展示功率密度的极化测试，以及(j)使用 3d-GMC 阴极（红色）和商用锌箔阳极组装的锌空气电池与使用 M/C 作为阴极（黑色）的锌空气电池相比的循环性能。倍率能力测试按以下顺序进行：OCV、1、2、5、10 mA cm⁻²。

相关研究工作由韩国蔚山国家科学技术研究所Ji-Hyun Jang课题组于2023年在线发表于《small》期刊上，Graphene-Encapsulated Bifunctional Catalysts with High Activity and Durability for Zn–Air Battery，原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202300551#pane-pcw-figures。