付宏刚教授/王蕾研究员JMCA：氮掺杂碳包覆增强CoFe合金纳米粒子的双功能活性用于高稳定性的锌空气电池- 大数跨境

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付宏刚教授/王蕾研究员JMCA：氮掺杂碳包覆增强CoFe合金纳米粒子的双功能活性用于高稳定性的锌空气电池

科学材料站

2020-11-06

导读：本文通过简单的电沉积和随后的热分解策略，成功在碳布上制备出由氮掺杂碳包覆的CoFe合金纳米颗粒所组成的三维纳米片。由于CoFe合金的协同作用和氮掺杂碳包覆结构的紧密结合，使得该材料在氧还原反应和析氧反

本文要点

氮掺杂碳包覆增强CoFe合金纳米粒子的双功能活性用于高稳定性的锌空气电池

第一作者：刘奇

通讯作者：付宏刚*，王蕾*

单位：黑龙江大学，哈尔滨工程大学

研究背景

开发廉价、高效和稳定的ORR/OER双功能催化剂对于二次锌-空气电池的发展是至关重要的。长期以来，贵金属催化剂由于储量稀缺，价格昂贵，难以满足可持续能源的利用。

因为Fe物种表现出高的ORR活性，而Co物种表现出优异的OER活性，故CoxFey合金可作为双功能氧反应催化剂我们课题组曾报道过一种Co0.7Fe0.3基双功能氧催化剂，原位X射线吸收光谱分析表明Fe-Fe和Co-Co键的变化源自OOH* (ORR的速控步)和O*(OER的速控步)，相应的边前峰能量偏移说明Co0.7Fe0.3合金纳米粒子催化剂中Fe物种和Co物种分别是ORR和OER反应的活性中心。因为杂原子掺杂碳可以优化局域电子结构，影响相邻原子上的电子分布促进电化学过程。

而在导电基底上直接构建无粘结剂的自支撑电极，由于催化剂与电极紧密接触的固有优势，可以降低界面阻抗和欧姆极化，缩短固态扩散长度从而提高电导率增强电子转移。因此，杂原子掺杂碳包覆的CoxFey合金与导电基底的结合是有意义的，同时也是具有挑战性的。

文章简介

近日，来自黑龙江大学的付宏刚教授和王蕾教授，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A（影响因子：11.301）上发表题为“N-Doped carbon coating enhances the bifunctional oxygen reaction activity of CoFe nanoparticles for a highly stable Zn–air battery”的文章。

本篇文章在中，作者通过简单的电沉积和随后的热分解策略，成功在碳布上制备出由氮掺杂碳包覆的CoFe合金纳米颗粒(CoFe@NC/CC)所组成的三维纳米片。由于CoFe合金的协同作用和氮掺杂碳包覆结构的紧密结合，使得该材料在氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)中都具有良好的活性和稳定性。

密度泛函理论(DFT)计算表明，氮掺杂碳的引入可以显著削弱CoFe合金纳米粒子对O2的吸附能，提高催化剂的ORR/OER双功能活性。以该催化剂为无粘结剂自支撑电极组装的液态锌空气电池具有高达1.469 V的开路电压，在10 mA cm−2电流密度下的充放电位差仅为0.77 V，并且可以稳定循环超过400次，该性能优于Pt/C+RuO2商业催化剂和其它已报道的CoFe基电催化剂。

此外，组装的全固态锌空气电池具有良好的柔韧性，在下一代可持续柔性电子器件中有潜在的应用前景。

图1. CoFe@NC/CC催化剂的合成示意图，以及相应的电镜表征图。

本文要点

要点一：本文通过简单的电沉积和热分解合成策略，成功制备了CoFe@NC/CC自支撑电极，并且具优异的ORR/OER双功能活性。

要点二：在导电基体上直接生长CoFe合金纳米粒子可以降低界面电阻和电荷转移电阻。

要点三：碳包覆层可以显著降低催化剂对O2的吸附能，提高双功能催化活性，其与CoFe双金属的协同作用也是催化剂活性提高的原因。

要点四：组装的锌空气电池表现出优异的性能和长期放电稳定性。

文章链接

N-Doped carbon coating enhances the bifunctional oxygen reaction activity of CoFe nanoparticles for a highly stable Zn–air battery

https://doi.org/10.1039/D0TA08114K

通讯作者介绍

王蕾教授, 研究员

现为黑龙江省头雁计划团队骨干成员，黑龙江省优秀青年基金、黑龙江省英才计划、中国博士后科学基金特别资助获得者。申报人主要从事二维石墨烯基碳材料的合成及应用研究。发展了以生物质为原料的“基团配位组装析碳法”制备石墨烯材料的方法，实现了生物质石墨烯材料的产业化；制备了过渡金属与石墨烯的复合材料，探究其在金属-空气电池等方面的应用，并阐明反应机制。在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Small等国际学术期刊发表SCI收录论文40余篇，授权中国发明专利20余项，国际发明专利3项。主持国家自然科学基金及省部级项目10余项，获黑龙江省技术发明奖一等奖1项。

付宏刚，教授

黑龙江大学功能无机材料化学教育部重点实验室主任。教育部长江学者奖励计划特聘教授，首批“国家万人计划”百千万工程领军人才，新世纪百千万人才工程国家级人选。英国皇家化学会会士，教育部科技委员会化学化工学部委员。2018-2020连续3年入选科睿唯安全球高被引科学家。主持及承担国家自然科学基金重点项目、科技部重点研发计划项目等国家级项目20余项。主要从事光催化和电催化领域的材料设计合成、结构调控，在材料尺寸，晶相，缺陷的选择性控制合成及其在光催化、电催化制氢，有机物合成以及ORR，OER等催化反应过程中的活性和稳定性，反应机制等方面开展工作。作为通讯作者在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem. Soc. Rev.、Energy. Environ. Sci.等期刊发表研究论文300余篇，被他人引用19000余次，H因子73，有50余篇论文进入ESI Top 1%高被引用论文，3篇论文进入ESI Top 0.1%热点论文。获省科学技术奖一等奖3项，获授权发明专利30余项。