Nano Energy：长寿命可充电锌空气电池双功能催化剂：氮/磷共掺杂碳纳米管封装双金属异质结的设计及原位重构研究

长寿命可充电锌空气电池双功能催化剂：氮/磷共掺杂碳纳米管封装双金属异质结的设计及原位重构研究

可充电锌空气电池（ZABs）因其固有的安全性、高能量密度、低成本、环境友好性，被认为是一种颇具前景的电化学储能技术。然而，空气阴极上氧析出反应（OER）和氧还原反应（ORR）缓慢的反应动力学严重限制了锌空气电池的效率和稳定性。

尽管在过去几十年间，非贵金属催化剂取得了显著进展，但针对高效ORR和OER的活性材料的合理调控以及真正活性位点的识别仍然是一个巨大的挑战。随着原位表征技术的发展，针对锌空气电池双功能催化剂的研究逐渐转向探索真实活性位点以及催化剂演变和降解的机理，这对于双功能催化剂的进一步突破至关重要。

近日，来自加拿大国立科学研究院的孙书会教授与魁北克大学高等工程技术学院的张改霞教授合作，在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“In Situ Reconstruction of Bimetallic Heterojunctions Encapsulated in N/P Co-Doped Carbon Nanotubes for Long-life Rechargeable Zinc-Air Batteries”的文章。

该工作将双金属异质结封装在N/P共掺杂的碳纳米管中，制备了一种用于锌空气电池的双功能催化剂。采用了原位技术追踪了ORR和OER催化过程的动态变化，捕捉双功能催化剂的重构过程。所制备的催化剂表现出卓越的双功能催化活性和稳定性。此外，采用该催化剂组装的电池表现出高峰值功率密度和出色的充放电稳定性。

图1. 双功能催化剂的原位重构示意图。

要点一：杂原子掺杂碳纳米管封装双金属异质结材料的制备

图2. 双功能催化剂CoFe/CoFeP@NPC的形貌图。

图3. 双功能催化剂的结构表征。

要点二：优异的电化学性能及电池充放电性能

图4. 双功能催化剂电化学性能。

图 5. 双功能催化剂的锌空气电池性能测试。

要点三：双功能催化剂的原位重构

为了进一步探索CoFe/CoFeP@NPC中Co和Fe的成键构型，采用X射线吸收近边结构（XANES）和k边扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）进行原位测试。催化剂的原位表征在ORR（1.0 ~ 0.6 ~ 1.0 V vs RHE）和OER（1.2 ~ 1.6 ~ 1.2 V vs RHE）的电位窗口内进行。原位观测表明，在初始阶段，金属Co仅在有限深度内发生部分活性位点的重建，而Fe的重构在浸入电解液后迅速启动。随后的研究表明，金属Co和Fe都经历了从部分到完全重构的过程。此外，磷掺杂不仅调控了碳纳米管的电荷分布以提高ORR活性，还在金属磷化物的溶解与重组过程中促进了过渡金属的重构生成活性位点。

图6. 双功能催化剂CoFe/CoFeP@NPC的原位重构。

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110497

主要研究领域：新能源转化与存储技术，例如氢能、锂电池、锌空电池、燃料电池等。

简介：魁北克大学高等工程技术学院Marcelle-Gauvreau 讲席教授，加拿大皇家科学院 College member. 其研究方向包括：

(1) 纳米材料：石墨烯、纳米碳管、氧化物、氮化物、复合材料，非铂和低铂催化剂等；

(2) 清洁能源器件与系统：燃料电池、锂电池、金属空气电池，电解水制氢等；

(3) 原位表征技术：原位同步辐射、原位红外光谱、电化学阻抗等；

(4) 理论计算：DFT, Thermodynamic modeling。

在Nature Communications, Nature Sustainability, Energy Environmental Science, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Angew. Chem. Int. Ed, ACS Energy Letters等国际著名期刊上发表论文160余篇，书籍章节10章，同时获得多个美国专利。

Email: gaixia.zhang@etsmtl.ca

孙书会教授：

加拿大皇家科学院院士、加拿大工程院院士、加拿大国立科学研究院教授，现任国际电化学能源科学院(IAOEES)副总裁、Springer-Nature 旗下期刊Electrochemical Energy Reviews (IF=28.4)执行主编，SusMat (IF=18.7)副主编，及10余种国际学术期刊的编委。长期致力于功能纳米材料的开发及其在清洁能源技术中的应用，包括燃料电池、绿色氢能、锂金属电池、金属空气电池、金属离子电池、二氧化碳转换等, 在Nature Commun., Nature Sustainability, Science Advances, Energy Environ. Sci., Adv. Mater.，JACS, Angew. Chem.等国际著名期刊上发表论文300余篇, 全球前2%顶尖科学家 (终身科学影响力)。主编英文专著5部，章节17章，同时获得多个美国专利。

Email: shuhui.sun@inrs.ca

课题组网页：

https://inrs.ca/en/research/professors/shuhui-sun/

投稿请联系contact@scimaterials.cn