近日，武汉理工大学麦立强教授团队在Energy & Environmental Materials上发表题为：“ZIF-Mediated Anchoring of Co species on N-doped Carbon Nanorods as an Efficient Cathode Catalyst for Zn-Air Batteries”的研究论文。本文通讯作者为周亮教授和麦立强教授，第一作者为于强博士。该工作开发了一种新的ZIF介导策略，制备了锚定有Co单原子/纳米晶的氮掺杂碳纳米棒ORR催化剂，揭示了催化活性中心调控策略和氧还原催化机制，显著提升了水系/固态锌空气电池性能。
引言
锌空气电池具有能量密度高、自放电低、放电曲线平稳和环境友好等优点，在公共交通和高端精密器件等领域得到广泛的关注和实际应用。然而，锌空气电池阴极氧气还原反应动力学缓慢，循环稳定性差，严重阻碍其广泛应用。商业Pt/C作为目前市场主要使用的催化剂，面临诸如价格高和稳定性差等缺点。近年来许多催化剂（如杂原子掺杂碳、Fe/Ni/Co基过渡金属及其氧化物和单原子掺杂碳等）由于价格低廉和催化活性高等优点受到广泛关注。
MOFs热解制备金属/金属氧化物和氮掺杂多孔碳复合材料电催化剂受到关注。MOFs类热解后可以在碳材料中原位引入金属和氮掺杂。丰富的M-Nx活性位点和高的原位氮掺杂含量可以带来高效的电子输运平台，这对氧气的吸附和还原具有显著贡献。然而，在将MOFs颗粒减小到纳米尺度时，会不可避免地发生团聚。因此，在制备和热解过程中避免MOFs颗粒团聚仍然是一个巨大的挑战。另外，制备高比表面积和高氮掺杂量电催化剂同样也是研究者们面临的挑战。
我们设计了一种新的ZIF介导策略将Co单原子/纳米晶锚定在氮掺杂碳纳米棒上（Co@NCNRs）。碳化过程中，碳的原位生成和锌的挥发都可以抑制金属Co的生长，从而形成锚定在碳纳米棒上的单分散Co单原子/纳米晶。单原子Co-Nx和Co纳米晶体都有助于ORR电催化性能。Co@NCNRs的BET比表面积和孔容分别达到478.7 m2 g-1和0.394 cm3 g-1。高孔隙率的电催化剂在反应过程中可以暴露更多活性中心，提高O2的吸附和还原速率。在0.1 mol L–1 KOH电解液中，Co@NCNRs的起峰电位为0.964 V vs RHE，半波电位为0.835 V，极限电流密度达到5.697 mA cm-2，同时具有优异的抗甲醇性能和稳定性。为了进一步证明其催化性能和实际应用潜力，我们将催化剂作为阴极，锌板作为阳极并组装为锌空气电池。在电流密度为120.50 mA cm-2时实现了76.76 mW cm-2的功率密度。放电比容量和能量密度分别高达726 mAh g-1和893 Wh kg-1。另外，准固态锌空气电池在电流密度为5 mA cm-2时其比容量达到796 mAh g-1，能量密度更是达到约963 Wh kg-1。所组装的锌空气电池器件可以驱动玩具车和给手机充电。
图 1. Zn/Co-ZIF/RNRs和Co@NCNRs制备示意图
图 2. Zn/Co-ZIF/RNRs的SEM图，插图为高倍率图（a）；Co@NCNRs的SEM图（b-c），TEM（d-e）和高分辨率TEM图（f）以及对应的EDS元素面扫图（g）
图 3. Co@NCNRs、NCNRs和Co@ZDC的XRD图谱（a）N2吸附等温线（b）; Co@NCNRs的高分辨率N1s和Co2p光谱（c, d）; Co@NCNRs、CoO、Co3O4和Co foil的XANES图（e）和傅里叶变换的EXAFS图（f）
图 4. 不同电催化剂在氧气饱和0.1 mol L-1 KOH下的LSV曲线（a）；Co@NCNRs催化剂在不同转速下的LSV曲线，插图为对应的K-L曲线（b）；电子转移数和H2O2产率（c）；Co@NCNRs和Pt/C催化剂的稳定性测试（d）
图 5. 水系锌空气电池的电化学性能:开路电压稳定性（a）；放电极化及功率密度曲线（b）；10 mA cm-2电流密度对应的放电曲线（c）。准固态锌空气电池的电化学性能: 5 mA cm-2电流密度对应的放电曲线（d）；实际应用照片（e）
总结
我们通过ZIF介导策略成功制备了均匀分散的Co纳米晶/单原子修饰的氮掺杂碳纳米棒。所得Co@NCNRs催化剂具有10.29at.%的超高氮掺杂量和478.7 m2 g-1比表面积。Co@NCNRs催化剂在碱性介质中表现出优异的ORR活性，进一步用于组装水系和准固态锌空气电池均具有优异的功率和能量密度。
ZIF-Mediated Anchoring of Co species on N-doped Carbon Nanorods as an Efficient Cathode Catalyst for Zn-Air Batteries
Qiang Yu, Jianshuai Lv, Jiantao Li, Ruohan Yu, Jinsong Wu, Shibo Xi, Xinyuan Li, Nuo Xu, Liang Zhou*, Liqiang Mai*
Energy Environ. Mater. 2022
DOI: 10.1002/eem2.12389
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eem2.12389
扫描右方二维码或点击阅读原文，查看文献！
周亮，武汉理工大学研究员，博士生导师。2006年获复旦大学化学系理学学士学位，2011年获得复旦大学化学系理学博士学位，师从赵东元院士和余承忠教授。2011年加入南洋理工大学楼雄文教授课题组从事博士后研究。2012年加入昆士兰大学余承忠教授课题组从事博士后研究。2015年3月加入武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室。2017年荣获“中国新锐科技知社特别奖”。主要研究方向为功能纳米材料的电化学储能应用，在Chem. Soc. Rev., Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Energy, Sci. Bull.等国际期刊发表SCI论文170余篇，文章被引用14000余次，H因子为64。
麦立强 教授，武汉理工大学材料学科首席教授，博士生导师，武汉理工大学材料科学与工程学院院长，英国皇家化学学会会士，国家重点研发计划“纳米科技”重点专项总体专家组成员、国家“十四五”材料领域重点专项指南编制专家。2004年在武汉理工大学获工学博士学位，随后在美国佐治亚理工学院（2006-2007）、哈佛大学（2008-2011）、加州大学伯克利分校（2017）从事博士后、高级研究学者研究。
主要研究方向为纳米储能材料与器件。构筑了国际上第一个单根纳米线固态储能器件，创建了原位表征材料电化学过程的普适新模型，率先实现了高性能纳米线电池及关键材料的规模化制备和应用。在Nature（2篇）、Nature、Science及Cell子刊（18篇）等期刊发表SCI论文400余篇；获授权国家发明专利100余项。在美国MRS、ACS、ECS等重要国际会议做大会报告、主旨报告、特邀报告70余次。作为大会主席组织Nature能源材料会议、第十届中美华人纳米论坛等重要国际会议10余次。主持/承担了国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”重点专项、国家杰出青年基金、国家基金委重大科研仪器专项、国家自然科学基金重点项目、国家国际科技合作计划等国家级科研项目30余项。获国家自然科学奖二等奖（第一完成人）、何梁何利基金科学与技术创新奖（青年奖）、科睿唯安全球高被引科学家、教育部自然科学一等奖（第一完成人）、英国皇家化学会中国高被引作者、中国青年科技奖、光华工程科技奖（青年奖）、湖北省自然科学一等奖（第一完成人）、侯德榜化工科学技术奖（青年奖）、国际电化学能源科学与技术大会卓越研究奖，并被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号等。现任国际期刊Journal of Energy Storage副主编，Advanced Materials、Chemical Reviews客座编辑，National Science Review学科编辑，Interdisciplinary Materials学术编辑，Accounts of Chemical Research、Joule、ACS Energy Letters、Advanced Electronic Materials、Small国际编委，Nano Research、Science China Materials、eScience和《功能材料》编委。
EEM
Energy & Environmental Materials（《能源与环境材料》）是由郑州大学主办的，同行评议的开放获取期刊，季刊
● 2022年IF 13.443
● 中科院一区TOP期刊
● JCR Q1区期刊
● SCIE、Scopus和EI数据库收录
● CSCD核心库来源期刊
● 中国最具国际影响力期刊
发展历程
WILEY
MaterialsViews
Wiley旗下材料科学类期刊官方微信平台
推送材料科研资讯｜访谈材料大咖新秀
分享撰稿投稿经验｜关注最新招聘信息
点击“分享”，给我们一点鼓励吧~