高電流密度充電機充電可逆鋅空氣蓄電池的催化劑-Ni3FeN材料解析
2017-9-4 8:53:52??????點擊：
【導言】
充電機充電可逆鋅空氣蓄電池因為價格低廉、環境友好和能量密度高（1084 Wh kg-1）等優勢，在便攜式交通工具和能量貯存器材使用方面具有巨大潛力。該充電機充電蓄電池的中心組分是驅動氧復原反響(ORR)和析氧反響(OER)的雙功用催化劑，可是其存在動力學緩慢及循環安穩性差等問題。因而，發展廉價、高效的雙功用催化劑，關于推動充電機充電可逆鋅空氣蓄電池的實踐使用具有重要意義。氮化物，如Ni3FeN等，因其共同的電子結構和半金屬特性，表現出優異的OER功用。可是將Ni3FeN使用于充電機充電可逆鋅空氣蓄電池中，面對兩個瓶頸問題：1）氮化物的ORR活性低；2）氮化物的在組成過程（氨氣氣氛煅燒）中易聚會，難以得到更小尺度、更多活性位露出的氮化物，阻止其OER功用的進一步提高。
【效果簡介】
近期，中科院理化技能研究所張鐵銳研究員等人在Nano Energy上宣布一篇題為：“3D Carbon Nanoframe Scaffold-immobilized Ni3FeN Nanoparticle Electrocatalysts for Rechargeable Zinc-Air Batteries’ Cathodes”的文章。本論文使用組分間的協同效應，可控制備了一種鈷氮共摻雜碳載體(Co,N-CNF)負載14 nm Ni3FeN的納米雙功用催化劑。其中，Co,N-CNF不僅具有優良ORR功用，并可有用減小Ni3FeN在高溫組成過程中的聚會問題，然后縮小其尺度，使得該復合催化劑的OER功用顯著優于IrO2，ORR功用超越Pt/C，而且該復合催化劑可在充電機充電可逆鋅空氣蓄電池的高電流密度(50 mA cm-2)下安穩作業。該策略為規劃和組成多功用催化劑供給了新思路。
【圖文導讀】
Ni3FeN/Co,N-CNF的結構示意圖
圖 Ni3FeN/Co,N-CNF的形貌及晶體結構表征
(A) 前驅體NiFe-LDH/Co,N-CNF的TEM圖；
(B)、(C) Ni3FeN/Co,N-CNF的TEM圖；
(D) 暗場TEM圖及對應元素Mapping；
(E) XRD圖譜。
2 Ni3FeN/Co,N-CNF電子結構表征
(A) Ni3FeN/Co,N-CNF的Ni 2p XPS圖譜；
(B) Ni3FeN/Co,N-CNF的Fe 2p XPS圖譜；
(C) Ni3FeN/Co,N-CNF及比照樣的Ni XANES圖譜；
(D) Ni3FeN/Co,N-CNF及比照樣的Fe XANES圖譜。
3 ORR功用表征
(A) ORR LSV曲線；
(B) ORR LSV曲線對應塔菲爾斜率；
(C) Koutecky-Levich曲線；
(D) 電子轉移數。
4 OER功用表征
(A) OER LSV曲線；
(B) OER LSV曲線對應的塔菲爾斜率；
(C) OER和ORR之間過電勢。
5 鋅空氣充電機充電蓄電池功用表征
(A) 充電機充電一次鋅空氣蓄電池的功率功用比較；
(B) 充電機充電可逆鋅空氣蓄電池的充放電極化曲線；
(C) 充電機充電可逆鋅空氣蓄電池在低電流密度(6 mA cm-2)下充放電循環曲線；
(D) 充電機充電可逆鋅空氣蓄電池在高電流密度(50 mA cm-2)下充放電循環曲線。
【小結】
研究人員使用Co,N-CNF優異的ORR功用和安穩負載物效應，成功地緩解了Ni3FeN的聚會問題，得到14 nm Ni3FeN負載Co,N-CNF雙功用催化劑，并可高效、安穩地使用于充電機充電可逆鋅空氣蓄電池中。該策略為高活性、多功用（OER, HER, ORR）催化劑的組成供給了思路，可廣泛使用于充電機充電金屬空氣蓄電池、可充放電式燃料充電機充電蓄電池、全分解水以及其他能源范疇。
充電機充電可逆鋅空氣蓄電池因為價格低廉、環境友好和能量密度高（1084 Wh kg-1）等優勢，在便攜式交通工具和能量貯存器材使用方面具有巨大潛力。該充電機充電蓄電池的中心組分是驅動氧復原反響(ORR)和析氧反響(OER)的雙功用催化劑，可是其存在動力學緩慢及循環安穩性差等問題。因而，發展廉價、高效的雙功用催化劑，關于推動充電機充電可逆鋅空氣蓄電池的實踐使用具有重要意義。氮化物，如Ni3FeN等，因其共同的電子結構和半金屬特性，表現出優異的OER功用。可是將Ni3FeN使用于充電機充電可逆鋅空氣蓄電池中，面對兩個瓶頸問題：1）氮化物的ORR活性低；2）氮化物的在組成過程（氨氣氣氛煅燒）中易聚會，難以得到更小尺度、更多活性位露出的氮化物，阻止其OER功用的進一步提高。
【效果簡介】
近期，中科院理化技能研究所張鐵銳研究員等人在Nano Energy上宣布一篇題為：“3D Carbon Nanoframe Scaffold-immobilized Ni3FeN Nanoparticle Electrocatalysts for Rechargeable Zinc-Air Batteries’ Cathodes”的文章。本論文使用組分間的協同效應，可控制備了一種鈷氮共摻雜碳載體(Co,N-CNF)負載14 nm Ni3FeN的納米雙功用催化劑。其中，Co,N-CNF不僅具有優良ORR功用，并可有用減小Ni3FeN在高溫組成過程中的聚會問題，然后縮小其尺度，使得該復合催化劑的OER功用顯著優于IrO2，ORR功用超越Pt/C，而且該復合催化劑可在充電機充電可逆鋅空氣蓄電池的高電流密度(50 mA cm-2)下安穩作業。該策略為規劃和組成多功用催化劑供給了新思路。
【圖文導讀】
Ni3FeN/Co,N-CNF的結構示意圖
圖 Ni3FeN/Co,N-CNF的形貌及晶體結構表征
(A) 前驅體NiFe-LDH/Co,N-CNF的TEM圖；
(B)、(C) Ni3FeN/Co,N-CNF的TEM圖；
(D) 暗場TEM圖及對應元素Mapping；
(E) XRD圖譜。
2 Ni3FeN/Co,N-CNF電子結構表征
(A) Ni3FeN/Co,N-CNF的Ni 2p XPS圖譜；
(B) Ni3FeN/Co,N-CNF的Fe 2p XPS圖譜；
(C) Ni3FeN/Co,N-CNF及比照樣的Ni XANES圖譜；
(D) Ni3FeN/Co,N-CNF及比照樣的Fe XANES圖譜。
3 ORR功用表征
(A) ORR LSV曲線；
(B) ORR LSV曲線對應塔菲爾斜率；
(C) Koutecky-Levich曲線；
(D) 電子轉移數。
4 OER功用表征
(A) OER LSV曲線；
(B) OER LSV曲線對應的塔菲爾斜率；
(C) OER和ORR之間過電勢。
5 鋅空氣充電機充電蓄電池功用表征
(A) 充電機充電一次鋅空氣蓄電池的功率功用比較；
(B) 充電機充電可逆鋅空氣蓄電池的充放電極化曲線；
(C) 充電機充電可逆鋅空氣蓄電池在低電流密度(6 mA cm-2)下充放電循環曲線；
(D) 充電機充電可逆鋅空氣蓄電池在高電流密度(50 mA cm-2)下充放電循環曲線。
【小結】
研究人員使用Co,N-CNF優異的ORR功用和安穩負載物效應，成功地緩解了Ni3FeN的聚會問題，得到14 nm Ni3FeN負載Co,N-CNF雙功用催化劑，并可高效、安穩地使用于充電機充電可逆鋅空氣蓄電池中。該策略為高活性、多功用（OER, HER, ORR）催化劑的組成供給了思路，可廣泛使用于充電機充電金屬空氣蓄電池、可充放電式燃料充電機充電蓄電池、全分解水以及其他能源范疇。
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