徐林副教授、黄凯副教授和唐亚文教授，ACB: 界面工程构建高效氧还原电催化剂用于锌空电池空气阴极- 大数跨境

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徐林副教授、黄凯副教授和唐亚文教授，ACB: 界面工程构建高效氧还原电催化剂用于锌空电池空气阴极

科学材料站

2021-05-21

导读：本文提出了一种简易的“静电纺丝-热解”方法，在N,S共掺杂碳纳米管/纳米纤维组装的分级枝状超级结构上原位锚定Co/MnO异质纳米粒子。

文章信息

第一作者：周其兴

通讯作者：徐林*、黄凯*、唐亚文*

单位：南京师范大学，东南大学

研究背景

可充电式锌-空气电池因具有理论能量密度高、安全性好、成本低和环境友好等优点而受到广泛关注，但因其空气阴极的氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）动力学缓慢，效率低下严重限制了锌-空气电池的开发和应用。

本研究合成了一种将Co/MnO纳米颗粒原位锚定在N，S共掺杂的碳纳米管/纳米纤维耦合的枝状超级结构上的高效ORR催化剂。Co/MnO异质结的形成使电子结构重新排布，产生更多的活性位点，极大地增强了本征活性。

同时，“分枝”和“主干”结构的多级碳基底不仅可以更好地稳定活性位点和提高电导率，而且可以促进活性位点的暴露，加速反应动力学。在这项研究中同时实现了实现界面工程和纳米碳复合，对于可再生能源系统中合理设计先进电催化剂具有一定的启发性。

文章简介

近日，南京师范大学徐林、东南大学黄凯和南京师范大学唐亚文老师等合作在Applied Catalysis B: Environmental上发表了题为 “Interfacial engineering Co and MnO within N,S co-doped carbon hierarchical branched superstructures toward high-efficiency electrocatalytic oxygen reduction for robust Zn-air batteries” 的研究论文 (DOI: 10.1016/j.apcatb.2021.120281)。

在本文中，作者提出了一种简易的“静电纺丝-热解”方法，在N,S共掺杂碳纳米管/纳米纤维组装的分级枝状超级结构（以下简称Co/MnO@N,S-C NT/NFs）上原位锚定Co/MnO异质纳米粒子。

界面工程和纳米碳复合的同步实现，使所制备的Co/MnO@N,S-C NT/NFs具有丰富稳定的活性位点、优化的电子构型、提高的电导率、高效的物质传输路径和显著增强的稳定性。

得益于组分协同作用和结构优势，Co/MnO@N,S-C NT/NFs表现出优异的ORR活性，对甲醇的耐受性，以及在KOH电解质中的长期稳定性。

与商业化Pt/C+RuO2相比，Co/MnO@N,S-C NT/NFs+RuO2作为空气阴极催化剂的可充电水系和柔性全固态锌-空气电池具有更高的功率密度，更大的比容量和出色的循环稳定性。

图1. Co/MnO@N,S-C NT/NFs的合成示意图。

在Co和MnO两相之间构建异质界面可以在很大程度上诱导电子再分布，从而提高电导率，并大大丰富活性位点的数量，可以极大地优化对反应中间体的吸附自由能，因此增强本征活性。

其次，由碳纳米管“分枝”和纳米纤维“主体”构建的分层枝状超级结构不仅有利于物质传输和电解液渗透，而且还能够提供有效的电子传递途径，从而大大加快了反应动力学。此外，将N和S杂原子掺杂在碳基质中也有利于增强碳基质的电导率。

最后，均匀分散的Co/MnO杂化纳米颗粒与导电碳基底的原位偶联可以有效地阻止活性位点的脱离/迁移/浸出，并进一步增强导电性，极大地增强了机械稳定性和电化学稳定性。

本文链接

Q. Zhou, S. Hou, Y. Cheng, R. Sun, W. Shen, R. Tian, J. Yang, H. Pang, L. Xu, K. Huang, Y. Tang, Interfacial engineering Co and MnO within N,S co-doped carbon hierarchical branched superstructures toward high-efficiency electrocatalytic oxygen reduction for robust Zn-air batteries, Appl. Catal. B: Environ., 295 (2021) 120281.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337321004070.