南方科技大学《Chem Commun》：一种封装高熵合金的多层还原氧化石墨烯催化剂，用于可充电锌空气电池

成果简介

本文，南方科技大学徐保民 教授团队在《Chem. Commun》期刊发表名为“A multi-layer reduced graphene oxide catalyst encapsulating a high-entropy alloy for rechargeable zinc-air batteries”的论文，研究提出展示了利用焦耳加热策略制备封装HEA的多层还原氧化石墨烯（rGO）（Fe6Ni20Co2Mn2Cu1.5@rGO）。rGO涂层可防止纳米颗粒聚集，确保纳米颗粒在基底内均匀分布。

此外，rGO 封装层的高结晶度可有效防止颗粒在恶劣环境中脱落，从而提高 HEA 催化剂的活性和稳定性。因此，制备的 Fe6Ni20Co2Mn2Cu1.5@rGO 催化剂在 1 mol L-1 KOH 水电解质中的电流密度为 10 mA cm-2 时，OER 过电位（ηj=10）为290mV，并且在 10 mA cm-2 的条件下可稳定工作 300 小时以上。此外，配备了 Fe6Ni20Co2Mn2Cu1.5@rGO 的 RZAB 显示出 154 mW cm-2 的高峰值功率密度和 300 小时的超长循环寿命。这项工作标志着在通过高结晶度石墨烯封装开发高效稳定的 HEA 电催化剂方面取得了重大进展。

图文导读

图1、(a) Fe6Ni20Co2Mn2Cu1.5@rGO 的制备示意图。(b) 短时间加热和冷却的温度图、高温焦耳加热步骤的光学图像以及相应的温度分布。

图2 、(a) 所制备样品的 XRD 图。(b) Fe6Ni20Co2Mn2Cu1.5@rGO 的扫描电镜图像。(c)低倍和(d)高倍的 TEM 明视场图像显示了 Fe6Ni20Co2Mn2Cu1.5@rGO 纳米粒子的分散情况。(e）（d）中 HEA 核心区 1 的 IFFT 图像。(f) (d) 中石墨壳区 2 的高分辨率 TEM 图像。(g) Fe6Ni20Co2Mn2Cu1.5@rGO 的高角度环形暗场扫描 TEM 图像以及相应的元素映射。

图3、 (a) Fe6Ni20Co2Mn2Cu1.5@rGO、Fe2Ni2Co2Mn1.5Cu1.1/rGO、Ni2.5Co2.3Mn1.4Cu1.2/rGO 和 IrO2 的线性扫描伏安法和 (b) 塔菲尔斜率。(c) Fe6Ni20Co2Mn2Cu1.5@rGO 在 10 mA cm-2 下的长期稳定性测试。

图4、 DFT计算。(a) Fe6Ni20Co2Mn2Cu1.5@rGO 和 Ni2.5Co2.3Mn1.4Cu1.2/rGO 在 OER 过程中的吉布斯自由能阶跃图。(b) Fe6Ni20Co2Mn2Cu1.5@rGO 和 Ni2.5Co2.3Mn1.4Cu1.2/rGO 中 Ni 3d 轨道的预测状态密度。

图5、 (a) Fe6Ni20Co2Mn2Cu1.5@rGO、Fe2Ni2Co2Mn1.5Cu1.1/rGO、Ni2.5Co2.3Mn1.4Cu1.2/rGO 和 Pt/C + IrO2 的放电极化曲线和相应的功率密度图。(b) RZABs 在 10 mA cm-2 下的静电充放电循环稳定性曲线。(c) RZAB 在不同电流密度下的充放电曲线。(d) RZAB 和各种电池中的 Fe6Ni20Co2Mn2Cu1.5@rGO 的拉贡图。(e) 装有四个FZAB的编织袋可为手机充电。

小结

综上所述，本文通过一种简单、经济的焦耳加热法合成了封装 Fe6Ni20Co2Mn2Cu1.5 纳米粒子的多层 rGO。这种 HEA 纳米粒子通过增加 Fe : Ni ： Co ： Mn : Cu 的进料比为 8 : 8 : 1 : 1 : 1，从而形成了稳定的结构，并表现出显著的催化效率。得益于这种多层高结晶度 rGO 封装的核壳结构，我们的催化剂在 OER 中表现出卓越的催化活性和耐久性，超过了 IrO2 催化剂。最重要的是，含有 Fe6Ni20Co2Mn2Cu1.5@rGO 的 RZAB 在电流密度为 10 mA cm-2 的情况下，显示出 800 mA h gZn-1 的超高比容量和 300 小时的循环寿命。这项工作提供了一种简便的方法来制备具有 rGO 封装层的纳米粒子，从而提高了其导电性和稳定性。

文献：https://doi.org/10.1039/D3CC05069F