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[原创]同济大学刘睿：嵌入FeCo合金纳米颗粒的介孔Fe/Co-N-C纳米纤维用于锌-空气电池的电催化剂（2018-11-20 16:22:29）

标签：催化剂 静电纺丝  

锌空气电池具有低成本、环保和高理论能量密度的优点，被认为是最有前途的储能设备之一。析氧反应(OER)和氧化还原反应(ORR)在可充电锌空气电池的充放电过程中起着至关重要的作用。虽然OER催化剂（例如IrO2，RuO2）和ORR催化剂（例如Pt/C）具有高催化活性，但是，大多数商业催化剂都无法很好地促进这两种反应。因此，开发一种高效和低成本的催化剂则充满挑战。为了在一体式催化剂中最大限度地提高ORR和OER催化性能，对催化剂的电化学组成进行了合理的设计，以寻求两种反应的电催化剂。电纺丝是一种规模制备一维(1D)纤维纳米材料有效技术。特别是电纺构建的长径比更大(直径更小或长度更大)一维碳纳米材料，在多种电化学过程中表现出优异的导电性，加速了O2和电解质的扩散。

日前，同济大学刘睿研究员团队采用静电纺由聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和聚丙烯腈（PAN）组成的双组分聚合物Fe/Co-N配位化合物制备嵌入FeCo纳米颗粒的介孔Fe/Co-N-C纳米纤维（表示为FeCo@MNC）。所制备的混合纳米纤维具有一维介孔结构、大的BET表面积和均匀分布的活性位点（例如，Fe/Co合金和Fe/Co-N）。Fe/Co合金活性位点与Fe/Co-N活性位点共存可以促进ORR和OER的催化活性。从本质上说，具有多孔结构的纳米纤维具有独特的一维特性，在可充电锌空气电池中，对电荷输送和活性位点暴露于O2吸附具有重要的作用。此外，FeCo@MNC显示出低充放电电压差(如0.9 V, 20mA cm-1充放电)，较高的功率密度(如115mw cm-2, 143mA cm-1)和优异的稳定性。

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图1. 嵌入FeCo合金纳米粒子的介孔Fe/Co-N-C纳米纤维合成过程示意图。

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图2.（a）FeCo-聚合物纳米纤维的TEM图像。FeCo@MNC的（b）SEM，（c）TEM和（d）HRTEM图像。（e）FeCo@MNC的HAADF-STEM图像和相应的元素分布。

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图3. 合成的NC、FeCo@NC和FeCo@MNC的（a）XRD，（b）拉曼光谱和（c）N2吸附等温线和（d）孔径分布图。

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图4.（a）XPS总谱图，FeCo@MNC的(b)N 1s, (c) Fe 2p和 (d) Co 2p XPS图。

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图5. NC、FeCo@NC、FeCo@MNC和Pt/C的（a）CV曲线，（b）RRDE极化曲线，（c）ORR电子转移数和HO2-（％）的产量（d）极化斜率。

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图6. 在OER过程中，NC、FeCo@NC、FeCo@MNC和Pt/C（a）LSV极化曲线（b）相应的极化图，（c）奈奎斯特图，（d）FeCo@MNC在2000 CV周期之前和之后的LSV极化曲线。

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图7. NC、FeNC、CoNC、FeCo@NC、FeCo@MNC和FeCo@MNC-S的LSV极化曲线（a）ORR（b）OER过程。（c）所有样品ORR的E1/2和OER的Ej = 10的之间的过电势。（d）加入0.01M KCN前后NC、FeNC、CoNC和FeCo@MNCNC的LSV极化曲线。

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图8. 锌空气电池的（a）示意图和（b）开路电位。（c）充电和放电极化曲线。（d）含FeCo@MNC和Pt/C的锌空气电池的功率密度的。（e）在碳纸上用FeCo@MNC和Pt/C催化剂的锌空气电池在20 mA cm-2的电流密度下的恒电流放电-充电循环曲线。由两个串联相互连接的集成锌空气电池供电点燃的黄色LED（-3 V）（f）48小时前，（g）48小时后。

总之，研究者通过简单高效的电纺丝方法，在N2气氛下进行热处理，通过嵌入FeCo纳米颗粒合成了介孔铁/Co-N-C纳米纤维。该材料具有良好的纤维形态，大量的介孔结构，均匀分布的FeCo合金纳米颗粒和Fe/Co-N-C活性位点。这些综合特性使FeCo@MNC成为一种用于ORR和OER的优秀双功能电催化剂。因此，该研究为设计其他低成本高效的可充电锌空气电池多功能催化剂提供有新的见解。

链接地址：http://www.espun.cn/news/detail-538.html

文章来源：易丝帮