天津工业大学《JMCA》：一种高效低成本非贵金属ORR催化剂- 大数跨境

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天津工业大学《JMCA》：一种高效低成本非贵金属ORR催化剂

科学材料站

2021-01-11

导读：该论文首次报道了一种制备高效铁基化合物/掺氮碳ORR复合催化剂的方法,该制备工艺简单，所得铁基化合物/掺氮碳催化剂展现出优异的ORR催化活性、稳定性和甲醇耐受性，展现出良好的应用前景，该论文入选JMC

文章信息

锌空气电池用锚定Fe3O4/Fe2O3/Fe 纳米粒子掺氮分级多孔纳米碳球高效ORR电催化剂

第一作者：王亚丽

通讯作者：马昌*，史景利*

单位：天津工业大学，美国北卡罗莱纳州立大学

研究背景

目前，以锌空气电池为代表的金属空气电池因为能量密度高、环境友好等优点成为解决人类能源危机的最有前景的储能器件之一。开发高效廉价的氧还原反应（ORR）催化剂对金属空气电池的发展至关重要。

目前商业铂（Pt）基催化剂存在成本高、储量有限和耐用性差等问题，严重限制了金属空气电池的大规模推广。因此设计和开发具有优异催化活性和耐久性的非贵金属ORR催化剂成为金属空气电池发展的当务之急。

近年来，铁基化合物/掺氮碳复合催化剂因为催化活性高、稳定性优异以及价格低廉等优势成为最具吸引力的Pt/C催化剂替代者之一。然而，目前基于简单工艺获得稳定高效铁基化合物/掺氮碳ORR催化剂依然面临挑战。

文章简介

近日，天津工业大学马昌副教授、史景利教授（共同通讯）在Journal of Materials Chemistry A 上发表题为 “Fe3O4/Fe2O3/Fe nanoparticles anchored on N-doped hierarchically porous carbon nanospheres as high-efficiency ORR electrocatalysts for rechargeable Zn-air batteries”的研究文章。

该论文首次报道了一种制备高效铁基化合物/掺氮碳ORR复合催化剂的方法，即通过在氨/氩混合气氛中一步热解铁基醌胺聚合物制备负载Fe3O4/Fe2O3/Fe纳米粒子的掺氮分级多孔纳米碳球，该制备工艺简单，所得铁基化合物/掺氮碳催化剂展现出优异的ORR催化活性、稳定性和甲醇耐受性，展现出良好的应用前景，该论文入选JMCA期刊Hot Paper。

本文要点

要点一：制备工艺简单、材料结构独特

图1 材料制备工艺与结构表征

通过在氨/氩混合气氛中一步热解铁基醌胺聚合物纳米球即可制得负载Fe3O4/Fe2O3/Fe纳米粒子的掺氮分级多孔纳米碳球，制备工艺简单。

所得复合纳米碳球粒径均一，不仅负载分布均匀的Fe3O4/Fe2O3/Fe纳米粒子，含有数量可观的掺杂氮，还具有典型的分级多孔结构和高比表面积（829.4 m2/g），提供了一种催化ORR的理想结构。

要点二：优异的ORR催化性能

图2 所得材料的ORR催化性能

所制备的负载Fe3O4/Fe2O3/Fe纳米粒子掺氮分级多孔纳米碳球表现出优异的ORR 催化性能。

其半波电位为0.835 mV vs. RHE, 比商业Pt/C半波电位正7 mV, 且具有优异的长循环稳定性，CV循环8000圈后半波电位仅下降14 mV, 优于商业Pt/C。同时，其还具有高效的ORR动力学性能，Tafel 斜率为70.6 mV·dec-1, 商业Pt/C为78.7 mV·dec-1。

要点三：获得锌空气电池高性能

图3. 基于所得ORR催化剂组装锌-空气电池的性能

基于负载Fe3O4/Fe2O3/Fe纳米粒子掺氮分级多孔纳米碳球组装的锌空气电池显示出较高的功率密度（106.8 mW·cm-2）。

在电流密度为10 mA·cm-2时，可持续恒流放电129小时，比容量高达800 mAh·g-1, 同时还显示优异的循环稳定性，在金属空气电池应用上展示出良好前景。

要点四：结论与展望

本论文提出了一种简单制备高效非贵金属ORR催化剂的方法，即通过在氨/氩混合气氛中一步热解铁基醌胺聚合物制备负载Fe3O4/Fe2O3/Fe纳米粒子的掺氮分级多孔纳米碳球。所得催化剂显示出优于商用Pt/C的ORR催化活性与耐久性，在锌-空气电池的实际使用中展现出巨大的应用潜力。此方法可进一步扩展到其他非贵金属/碳复合催化剂的简单高效制备，为非贵金属ORR催化剂的开发提供了新的思路。

文章链接

Fe3O4/Fe2O3/Fe nanoparticles anchored on N-doped hierarchically porous carbon nanospheres as high-efficiency ORR electrocatalysts for rechargeable Zn-air batteries

https://doi.org/10.1039/D0TA10205A

通讯作者介绍

马昌副教授，工学博士，硕士生导师

北卡罗莱纳州立大学访问学者，主要从事纤维炭材料结构设计与功能开发以及新型炭基储能材料的研究。主讲电源工艺学、炭质功能材料、粉体工程等本科生课程。发表论文50余篇，参与编写专著2部，申请与授权专利20余项。承担与参与国家自然科学基金4项，国家重点研发计划子课题1项，天津市自然科学基金等省部级项目3项，企业委托项目4项，指导国家级大学生创新创业项目2项，获得天津市科技进步二等奖1项，中国纺织工业联合会科技成果优秀奖1项，指导获得国家节能减排竞赛三等奖2项，全国大学生动力电池创新竞赛铜奖1项。担任Carbon, Chemical Engineering Journal, Journal of Colloid and Interface Science, Applied Surface Science, Electrochimica Acta等期刊特约审稿人。Email: machang@tiangong.edu.cn。

史景利，工学博士，教授，博士生导师

主要从事沥青基炭纤维、功能炭材料的研究。发表论文100余篇，申请与授权专利40余项。主持国家重点研发计划子课题1项，国防科工局配套项目5项，企业委托项目6项。兼任中国金属学会炭素技术分委会委员，专家组成员；中国电工学会炭素专业委员会委员；《炭素技术》《高技术纤维与应用》编委。Email: shijingli1963@163.com。

第一作者介绍

王亚丽，女，博士研究生

研究方向为非贵金属/碳基高效ORR催化剂。