北科大JMCA：高效构建空心Co-Nx 纳米立方体笼/多孔碳纳米纤维用于自支撑空气阴极的研究- 大数跨境

首页

北科大JMCA：高效构建空心Co-Nx 纳米立方体笼/多孔碳纳米纤维用于自支撑空气阴极的研究

科学材料站

2021-12-12

导读：本文通过静电纺丝和退火将 ZIF 衍生的空心 Co-Nx 纳米立方笼嵌入或串珠式植入多孔碳化纳米纤维

文章信息

高效构建空心Co-Nx 纳米立方体笼/多孔碳纳米纤维用于自支撑空气阴极的研究

第一作者：彭利冲

通讯作者：李从举*

单位：北京科技大学

研究背景

近年来, 随着能源危机和环境污染问题日益严峻，开发高效可再生的储能和能量转换技术在清洁能源与环境方面意义重大。金属空气电池、燃料电池等研究方向在储能和能量转换领域备受关注。其中涵盖的氧析出（OER）因涉及动力学缓慢的多步质子耦合电子转移步骤导致能量转换效率低。

目前，贵金属的催化剂（如Pt、Ir、RuO2等）在单一的ORR或者OER催化方面性能突出，但在双功能氧催化方面不尽人意，且产量稀少、价格昂贵，因此迫切需要开发可规模化应用的双功能氧催化剂来满足日益增长的新能源储能与转换器件的发展需求。

基于过渡MOF衍生的金属-氮-碳（M-N-C）体系因具有成本低和催化活性高的优势近年来得到广泛关注，然而粉末催化剂易团聚导致催化活性受到限制，纳米纤维的超长互连多级分层网络特性能够抑制纳米级粉末团聚并暴露更多的活性位点。

为此构造一种自支撑且高效、清洁的双功能氧催化剂对于电极构造简易化、可持续能源的发展和应用具有重要意义。

文章简介

在这里，来自北京科技大学的博士生彭利冲，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Highly efficient construction of hollow Co-Nx nanocube cages dispersion implanting with porous carbonized nanofibers for Li-O2 batteries”文章。

作者通过静电纺丝和退火将 ZIF 衍生的空心 Co-Nx 纳米立方笼嵌入或串珠式植入多孔碳化纳米纤维（EH/PCNFs 和 BH/PCNFs），从而设计了两种不同形貌的双功能氧催化电极。

Zn 物种的“栅栏”效应防止钴物种在退火过程中团聚，同时协同纳米纤维的界面诱导成功制备 Co-Nx 纳米立方体笼/多孔碳化纳米纤维。中空的Co-Nx纳米立方体笼可以改变超长互连的多层碳纳米纤维基体的电荷密度和电子分布，赋予碳化纳米纤维特殊的表面极化并加速电催化动力学。

本文要点

要点一：自支撑阴极材料催化剂的合成

通过静电静电纺丝技术分别获得嵌入式 Co-ZIF-8 /纳米纤维和珠状式 Co-ZIF-8 /纳米纤维。两种混合基质膜退火后得到嵌入式中空 Co-Nx 纳米立方体笼/多孔碳化纳米纤维（EH/PCNFs）和串珠状中空Co-Nx 纳米立方体笼/多孔碳化纳米纤维（BH/PCNFs）。值得注意的是，掺杂了 ZIF 纳米颗粒的自支撑阴极表现出优异的机械性能。

图1. 自支撑阴极材料制备流程图

要点二：催化剂表征

FESEM以及透射电子显微镜 (TEM) 图像进一步表明 Co-ZIF-8 衍生的纳米立方体笼高度分散并密集地封装在 3D 互连碳纳米纤维中。具有中空内部互连的催化剂有利于提高催化能力并适应放电产物引起的体积膨胀。

图2（a，b）EH/PCNFs的图像；（c） EH/PCNFs的TEM和（d）HRTEM图像；（e）扫描TEM和（f）对应的元素图对应的元素图。（g，h）BH/PCNFs图像；（i） BH/PCNFs的TEM和（j）HRTEM图像；（k）扫描TEM和（l）对应的元素图对应的元素图

要点三：电催化性能

总之，我们开发了一种可行的策略来合理构建空心Co-Nx 纳米立方体笼/多孔碳纳米纤维用于自支撑空气阴极。

值得注意的是，基于 BH/PCNFs 和 EH/PCNFs 电极的 LOBs 在电流密度为200 mA g^-1 和截止容量为 500 mAh g^-1 的情况下分别表现出显着降低的充电/放电极化（0.79 V）和长期循环性能（147 个循环）。

希望我们的合成策略能够为金属空气电池、燃料电池和其他能量存储和转换领域的双功能氧电催化剂的设计和开发提供一条新途径。

图3（a） LED灯被LOBs成功点亮；（b-c）电化学阻抗谱；（d）循环伏安曲线；（e-f）放电-充电电压曲线；（g）不同电流密度下BH/PCNFs和EH/PCNFs电极的初始深放电-充电曲线；（h）基于EH/PCNFs或BH/PCNFs的LOBs模型；（i-j）循环性能；（k）终端放电充电电压分布；（l）工作比较

文章链接

Highly efficient construction of hollow Co-Nx nanocube cages dispersion implanting with porous carbonized nanofibers for Li-O₂ batteries

https://doi.org/10.1039/D1TA09008A

第一作者介绍

彭利冲博士

目前在北京科技大学环境科学与工程专业攻读博士学位，师从李从举教授。主要研究方向为纳米纤维及MOF材料的设计与应用。以第一作者在Journals of Materials Chemistry A、Nanoscale、Environmental Research等期刊发表5篇论文。