山东大学《AESR》：氮掺杂石墨烯负载CoO纳米颗粒，用于锌-空气电池的双功能催化剂

成果简介

开发高性能、高稳定性和低成本的非贵金属催化剂以提高锌空气电池（ZAB）的性能具有重要意义。本文，山东大学李虎 教授、南京工业大学 芮琨 副教授、阿德莱德大学 张仕林、中国科学院上海硅酸盐研究所 鹿燕 研究员等在《 Advanced Energy & Sustainability Research》期刊发表名为“Nitrogen-Doped Graphene Oxide Nanoribbon Supported Cobalt Oxide Nanoparticles as High-Performance Bifunctional Catalysts for Zinc–Air Battery”的论文，研究成功合成了以氮掺杂还原氧化石墨烯纳米带（N-rGONR）为新型基底的氧化钴（CoO）纳米晶体双功能催化剂。合成的双功能催化剂具有介孔结构，CoO 纳米晶与 N-rGONR 之间具有显著的协同效应，在氧还原反应和氧进化反应中均表现出优异的活性和耐久性。

值得注意的是，所制备的水性电解质 ZAB 放电峰值功率密度高达 196 mW cm^-2，比容量高达 615.9 mAh g^-1，并且具有 648 h 的长期稳定性。此外，使用这种双功能催化剂组装的一维和二维柔性固态 ZAB 即使在严重变形的情况下也能表现出稳定的电化学性能。这些结果表明，CoO@N-rGONR 催化剂结构在下一代先进能源存储和转换设备中的应用前景十分广阔。

图文导读

图1、制备CoO@N-rGONR的示意图。

图2、利用透射电子显微镜（TEM）观察了CoO@N-rGONR的形貌和结构

图3、CoO@N-rGONR和N-rGONR的孔径分布和比表面积

图4、a) 在 5 mVs^-1 的扫描速率下获得的 LSV 曲线；b) CoO@N-rGONR 电极的 ORR 极化曲线和相应的 K-L 图（插图）；c) 根据 RRDE 数据得出的电子转移数和HO^2-产率；d) OER 极化曲线；e) 相应的 Tafel 图；f) 四种样品在 0.1 m KOH 中的双功能活性的整体 LSV 曲线。

图5、a) 可充电 ZAB 的示意图 b) 不同电流密度下的静电放电曲线 c) 10 mAcm^-2 时的比容量曲线 d) 功率密度图和放电极化 e) 5 mAcm^-2时固态 ZAB 的循环稳定性

图6、所制备的ZAB及其电化学性能

小结

本研究合成了一种新型双功能催化剂，它由 CoO 纳米晶和 N-rGONR 组成。该催化剂具有优异的比表面积、介孔结构以及 CoO 纳米晶与 N-rGONR 之间的显著协同作用，从而增强了 ORR 和 OER 的催化活性。N-rGONR 边缘裸露的独特形态提供了强大的电子传递和丰富的缺陷位点，CoO 中的 Co─O 键较弱，降低了表面氧物种迁移和分离的能垒，因此具有优异的氧电化学反应特性。此外，基于 CoO@N-rGONR 催化剂组装的一维和二维柔性固态 ZAB即使在极端机械变形的情况下也能保持出色的循环稳定性，不会出现明显的性能损失。这些发现凸显了 CoO@N-rGONR 催化剂结构在推动下一代能量存储和转换设备方面的潜力。

文献：https://doi.org/10.1002/aesr.202400001