清華新聞網(wǎng)3月16日電 近日，化工系張如范副教授課題組在用于可充電鋅-空氣電池的多功能空氣正極材料制備方面取得重要進(jìn)展，通過(guò)將金屬鈷（Co）以單原子形式分散到柔性的氮摻雜碳納米纖維中，構(gòu)筑了無(wú)需使用粘結(jié)劑的鈷原子負(fù)載型碳基空氣正極，在水系鋅-空氣電池呈現(xiàn)超過(guò)600小時(shí)的循環(huán)穩(wěn)定性，構(gòu)筑的全固態(tài)鋅-空氣電池中表現(xiàn)出穩(wěn)定的電壓曲線(xiàn)和優(yōu)異的抗彎折能力，為鋅-空氣電池中結(jié)構(gòu)化催化劑的發(fā)展提供了全新思路。
圖1.Co單原子催化劑的制備、結(jié)構(gòu)及配位分析
鋅-空氣電池是一種能量密度高、原料資源豐富、環(huán)境友好、安全性高、發(fā)展?jié)摿Υ蟮碾娀瘜W(xué)儲(chǔ)能器件。然而，鋅-空氣電池在充放電過(guò)程中其中的空氣電極會(huì)經(jīng)歷氧析出（OER）和氧還原（ORR）兩個(gè)過(guò)程，其緩慢的動(dòng)力學(xué)過(guò)程嚴(yán)重制約了電池的能量轉(zhuǎn)換效率。單原子催化劑具有獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和不飽和的配位方式，可以實(shí)現(xiàn)催化反應(yīng)的高活性和高選擇性。目前報(bào)道的單原子催化劑多以粉末為主，加入的聚合物粘合劑會(huì)導(dǎo)致活性位點(diǎn)失活、界面電阻增加等問(wèn)題。在此背景下，張如范課題組提出了一種競(jìng)爭(zhēng)配位策略，利用前驅(qū)體溶液中高濃度的鋅離子（Zn2+）和高粘度的聚丙烯腈（PAN）協(xié)同抑制鈷離子（Co2+）與2-甲基咪唑的劇烈配位，結(jié)合靜電紡絲及后續(xù)的碳化過(guò)程，同步實(shí)現(xiàn)了Co的原子級(jí)分散和碳納米管串聯(lián)的多孔氮摻雜碳納米纖維的構(gòu)筑（圖1）。
圖2.Co單原子催化劑的水系和全固態(tài)鋅-空氣電池性能
這種負(fù)載有鈷單原子催化劑的三維自支撐結(jié)構(gòu)可直接用作空氣正極（圖2），無(wú)需額外添加粘結(jié)劑，其ORR過(guò)程的半波電位為0.85V，而其OER過(guò)程的過(guò)電位為380mV（電流密度為10mA cm-2時(shí)），可逆氧過(guò)電位（ΔE）為0.76V，優(yōu)于大多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道的非貴金屬催化劑的性能。利用上述催化劑作為空氣正極材料組裝的水系鋅-空氣原型電池在10mA cm-2下運(yùn)行600小時(shí)性能不衰減；組裝全固態(tài)鋅-空氣原型電池，經(jīng)45°、90°、135°和180°彎折充放電平臺(tái)不變，展示了該柔性正極材料的多種應(yīng)用可能。
上述成果以“柔性碳膜負(fù)載的鈷單原子作為雙功能氧催化劑用于無(wú)粘結(jié)劑鋅-空氣電池”（Stabilizing Cobalt Single Atoms via Flexible Carbon Membranes as Bifunctional Electrocatalysts for Binder-Free Zinc-Air Batteries）為題發(fā)表在國(guó)際期刊《納米·快報(bào)》（Nano Letters）期刊上，論文的第一作者為清華大學(xué)化工系博士后韓瑩，通訊作者為清華大學(xué)化工系張如范副教授，主要合作者還包括中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)同步輻射國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的閆文盛教授和段恒利博士。上述研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中國(guó)博士后基金的支持。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c00278
供稿：化工系
編輯：李華山
審核：呂婷
