緩慢的析氧反應(yīng)（OER）和氧還原反應(yīng)（ORR）動(dòng)力學(xué)不可避免地阻礙了可充電鋅空氣電池的實(shí)際性能。因此，非常需要將過(guò)渡金屬基電催化劑的結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性與陰離子調(diào)控相結(jié)合。在此，本研究精心設(shè)計(jì)了表面硫化改性的介孔疊層鈷基納米顆粒，并將其與N/S共摻雜石墨烯集成，構(gòu)建了一種強(qiáng)大的OER/ORR雙功能電催化劑。具有豐富通道的介孔納米片的層狀堆積模式加速了氣液傳質(zhì)，鈷基基體表面的部分硫化有效地提高了OER的固有活性。同時(shí)，N/S共摻雜石墨烯進(jìn)一步強(qiáng)化了ORR活性位點(diǎn)，同時(shí)提供了穩(wěn)定的導(dǎo)電骨架。正如預(yù)期的那樣，這種復(fù)合電催化劑具有相當(dāng)大的雙功能活性和穩(wěn)定性，在10 mA cm
−2下的OER過(guò)電位為323 mV，并且具有很高的耐久性。當(dāng)應(yīng)用于鋅空氣電池時(shí)，可實(shí)現(xiàn)超過(guò)4000次循環(huán)的超長(zhǎng)穩(wěn)定性和150.1 mW cm
−2的最大功率密度。這項(xiàng)工作為下一代金屬-空氣電池的快速動(dòng)力學(xué) OER/ORR 雙功能電催化劑的結(jié)構(gòu)-組成協(xié)同設(shè)計(jì)提供了新的見(jiàn)解。
Fig 1. 與 N/S 共摻雜石墨烯 (Co
3O
4–S/NSG)集成的介孔層狀堆疊表面硫化鈷基納米顆粒作為鋅空氣電池的 OER/ORR 雙功能電催化劑的合成路線示意圖。
Fig 2. (a 和 b) 反應(yīng)物比例為 7.5:10 的層狀堆疊前體納米顆粒在不同放大倍數(shù)下的 SEM 圖像，以及 (d) 相應(yīng)的粒度分布（插圖：低倍放大圖像）。(c) Co
3O
4–S/NSG 復(fù)合材料在不同放大倍數(shù)下的 SEM 圖像。(e) TEM 和 (f) HRTEM（inest：FFT 模式）單個(gè) Co
3O
4和 Co
3O
4–S 的圖像。(g) Co
3O
4–S/NSG的 HRTEM 圖像（inest：FFT 圖）。 (h) Co
3O
4 與反應(yīng)物比例 (5/6/7.5:10) 和 Co
3O
4–S/NSG 的 N
2 吸附-脫附等溫線（插圖：BET SSA 數(shù)據(jù)）。(i) Co
3O
4–S/NSG 的 EDS 元素映射。
Fig 3. (a) XRD 圖，(b) (311) 峰區(qū)域的放大，以及 (c) Co3O4、Co3O4–S 和 Co3O4–S/NSG 的拉曼光譜。 (d) Co3O4–S/NSG 的 C、N、S 和 Co 元素的 EPMA 映射。
Fig 4. Co3O4–S/NSG 的高分辨率 (a) C 1s 和 N 1s XPS 光譜。 (b) Co3O4–S 和 Co3O4–S/NSG 的 S 2p XPS 光譜。 (c) Co 2p 和 (d) O 1s Co3O4、Co3O4–S 和 Co3O4–S/NSG 的 XPS 光譜。 (e) Co K 邊的標(biāo)準(zhǔn)化 XANES 光譜和 (f) Co3O4–S/NSG、CoO、Co3O4、CoS2 和 Co 箔的 k3 加權(quán) EXAFS 光譜。 (g) R 空間的 Co K 邊 EXAFS 擬合曲線和 (h) Co 箔、CoS2、Co3O4 和 Co3O4–S/NSG 的 k3 加權(quán) EXAFS 信號(hào)的小波變換。
Fig 5. 由各種 (a) 反應(yīng)物比例 (5/6/7.5:10) 和 (b) 硫化溶液 (0.5/1/1.5/2 M Na2S) 制備的 Co3O4–S 的 OER 極化曲線（插圖：電流密度下過(guò)電勢(shì)的比較10 和 100 mA cm
–2）。 (c) 具有不同 NSG 含量的 Co3O4–S/NSG 的 ORR 極化曲線。 (d) OER 極化曲線（插圖：電流密度為 10 和 100 mA cm
-2 時(shí)的過(guò)電勢(shì)比較）和 (e) Co3O4、Co3O4-S、Co3O4-S/NSG 和 Ir/C 的相應(yīng) Tafel 斜率。 (f) Co3O4、Co3O4–S 和 Co3O4–S/NSG 的 C
dl。 (g) Co3O4–S/NSG 和 Pt/C+Ir/C 的雙功能極化曲線，(h) 相應(yīng)的 Tafel 斜率和 (i) 1.553 V 時(shí)的計(jì)時(shí)電流響應(yīng)（插圖：測(cè)試前后極化曲線的比較）。
Fig 6. (a) EIS 和 (b) 基于 Co3O4、Co3O4–S 和 Co3O4–S/NSG 的 ZAB 的 DRT 結(jié)果。 (c) Co3O4–S/NSG 和 Pt/C+Ir/C ZAB 在 10.0 mA cm
−2 下的充電/放電極化曲線和放電功率密度以及 (d) 恒電流放電曲線。 (e,f) Co3O4–S/NSG 和 Pt/C+Ir/C ZAB 在 10 mA cm
−2 下的平均充電/放電電壓和間隙以及 (g) 循環(huán)曲線。
相關(guān)研究工作由海南大學(xué)Haoxiong Nan課題組于2023年在線發(fā)表于《Journal of Energy Chemistry》期刊上，原文：Lamellar-stacked cobalt-based nanopiles integrated with nitrogen/sulfur co-doped graphene as a bifunctional electrocatalyst for ultralong-term zinc–air batteries。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
