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鋅空氣電池作為最有前景的儲能器件之一，其空氣電極所用的OER和ORR雙功能催化劑是研究者們的關(guān)注熱點，已經(jīng)證明3D過渡金屬組成的幾種層狀雙氫氧化物(LDH)對 OER 過程具有強大的電催化活性。然而，由于缺乏ORR活性位點，純LDH還不能作為鋅-空氣電池空氣電極有效的催化劑。碳基材料一直是ORR催化劑研究的熱點，因此許多工作都集中在過渡金屬納米材料和碳材料的復合材料的合成上。碳材料孔隙多、密度小、資源豐富、具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，可以在一定程度上改善過渡金屬雙氫氧化物較差的電子導電性。由此，通過結(jié)構(gòu)設計或者調(diào)節(jié)異質(zhì)界面可以提高過渡金屬復合材料整體的雙功能活性。

近日，西安工業(yè)大學材料與化工學院王素敏教授、王奇觀教授課題組報道了一種將N摻雜納米碳材料插入Ni-Co層狀雙氫氧化物(NiCo-LDH)納米片中的用于高性能鋅-空氣電池的雙功能催化劑。首先以苝四羧酸二酐和雙氰胺為原料，在水熱條件下自組裝合成多孔超薄氮摻雜碳納米材料(NCM)，其層間距離增大，ORR活性突出，但其OER催化活性較差。為了設計一種雙功能催化劑，ORR型NCM通過原位生長在泡沫鎳(NF)上，插入到具有OER活性的Ni-Co層狀雙氫氧化物(NiCo-LDH)簇中，制得NiCo-LDH/NCM@NF。NCM在NiCo-LDH中的分散提高了NiCo-LDH的電導率和電活性表面積，顯示出豐富的氧空位，極大地促進了ORR/OER雙功能活性。在50 mA cm^?2的高電流密度下，OER過電位低至0.352V。同時，NiCo-LDH/NCM@NF樣品的ORR性能也得到提高。以NiCo-LDH/NCM@NF為空氣陰極，組裝成鋅-空氣電池的容量為685 mAh g^?1，能量密度為158 mW cm^?2。NiCo-LDH/NCM@NF的極限電流密度為4.421 mA cm^-2，半波電位為0.765 V(vs. RHE)，在構(gòu)建綠色能源器件方面具有廣闊的應用前景。

論文信息

N-doped Nanocarbon Inserted NiCo-LDH Nanoplates on NF with High OER/ORR Performances for Zinc-Air Battery

Zhe Jia,?Jiayin Shang,?Kaijing Xue,?Xi Yang,?Prof. Sumin Wang,?Changhua Xu,?Prof. Qiguan Wang

ChemCatChem

DOI:?10.1002/cctc.202201469

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