探索和開發(fā)用于氧還原反應（ORR）的具有成本效益、超長耐久性和高性能的非貴金屬催化劑來替代用于電化學能量轉換裝置的鉑基催化劑仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。盡管幾種類型的非貴金屬催化劑（N摻雜石墨烯、過渡金屬納米粒子、單原子金屬-氮-碳等）聲稱與商業(yè) Pt/C 相比具有相當或壓倒性的催化性能，但它們的長效耐久性，特別是在苛刻的電解質(zhì)中，對于實際應用仍然不能令人滿意。這里，研究人員通過結構設計制備了Fe
3C量子點均勻鑲嵌在氮摻雜多孔碳空心球殼層中的ORR催化劑（Fe
3C@N/MCHSs）。實驗結果分析和理論計算均表明，電子在Fe
3C量子點與氮摻雜碳形成的莫特-肖特基（Mott-Schottky）異質(zhì)結界面上的重新分布可以促進電子轉移速率，降低能量勢壘，從而提高催化劑對ORR的本征催化活性。因為 Fe
3C 量子點提供了快速的電子轉移到 NG 的價帶。分子動力學模擬表明，NG中的石墨烯結構在腐蝕性極強的電解液中相對穩(wěn)定，避免了Fe
3C量子點的腐蝕。。結合鋅/石墨烯復合膜和固態(tài)電解質(zhì)，F(xiàn)e
3C@N/MCHSs在固態(tài)鋅-空氣電池中具有1.506 V的高開路電壓、706.4Wh Kg
-1的高能量密度和1000小時的長期穩(wěn)定性，這推進了鋅空氣電池向實際應用方向邁出了一大步。
Figure 1. Fe
3C@N/MCHSs 和 Fe
3C-NG Mott-Schottky異質(zhì)結的制備示意圖。
Figure 2. 所制備的 Fe
3C@N/MCHSs 的形態(tài)表征： a) SEM 圖像；b) 透射電鏡；c,d) HRTEM 圖像；e) 典型的 TEM 圖像和相應的 C、N、O 和 Fe 元素映射；f) C和Fe元素的組合映射圖像；g) 明場和 h) 暗場 TEM 圖像；i) HAADF-STEM 圖像和相應的 NG 和 Fe
3C；j) Fe
3C量子點和單層N摻雜石墨烯形成的TEM圖像和相對Mott-Schottky異質(zhì)結；k) Fe箔、鐵(II)酞菁(FePc)和Fe
3C@N/MCHSs的K邊XANES光譜；l) Fe
3中 Fe K-edge 的 EXAFS 光譜的傅里葉變換 (FT) k 3 -加權 χ( k )-函數(shù)C@N/MCHS；m) Fe
3C@N/MCHS的k 3加權 EXAFS 信號的小波變換。
Figure 3. a) 泡沫鎳上 Fe
3C@N/MCHSs 正極的制造工藝，b) 固態(tài)電解質(zhì)的制備，以及 c) 柔性鋅/石墨烯負極的制備。
Figure 4. Fe3C@N/MCHSs催化劑的電化學性能表征。(a) Pt/C，N/MCHSs和Fe3C@N/MCHSs的循環(huán)伏安(CV)測試；(b) 線性掃描伏安曲線(LSV)；(C) Fe3C@N/MCHSs在不同轉速下的LSV和(插圖)相應的Koutecky-Levich圖；(d) Pt/C和Fe3C@N/MCHSs催化劑的甲醇毒化對比；(e) Pt/C和Fe3C@N/MCHSs催化劑的穩(wěn)定性測試；(f) 在堿性溶液中Fe3C@N/MCHSs與其他報道的鐵基非貴金屬電催化劑的性能對比；Fe3C@N/MCHSs 為陰極催化劑的液態(tài)鋅-空氣電池：(g) 液態(tài)鋅-空氣電池裝置示意圖；(h) 開路電壓；(i) 倍率性能；(j) 放電比容量；(k) 功率密度；(l) 充放電循環(huán)曲線；Fe3C@N/MCHSs 為陰極催化劑的固態(tài)鋅-空氣電池：(m) 固態(tài)鋅-空氣電池裝置示意圖；(n) 開路電壓；(o) 給手機充電；(p) 1000小時超長穩(wěn)定性測試。
Figure 4. Fe3C@N/MCHSs催化劑電子結構表征及理論計算。(a，b) Mott-Schottky異質(zhì)結接觸前和接觸后Fe3C和NG的能帶圖；(c) ORR催化機制；(d, e) Fe3C@NG模型的電荷分布；(f) Fe3C@NG模型上的ORR過程；(g) 能量階梯示意圖；(h) G，NG，F(xiàn)e3C和Fe3C@NG不同活性位點在ORR催化過程中各步驟的能量變化；(i) Fe3C@NG在不同勢能下的能量分布圖；(j) Fe3C@NG在0.5 M H
2SO
4溶液中的分子動力學(MD)模擬。
相關研究工作由湖南大學/中國農(nóng)業(yè)大學/劍橋大學Huanxin Li 、Bingcheng Luo等課題組于2022年在線發(fā)表于《Advanced Functional Materials》，原文：Non-Noble-Metal Catalyst and Zn/Graphene Film for Low-Cost and Ultra-Long-Durability Solid-State Zn-Air Batteries in Harsh Electrolytes。
轉自《石墨烯研究》公眾號
