張鐵銳Nano Energy：三維碳骨架支撐的Ni3FeN雙功能催

 

　　原創 2017-09-04 張鐵銳課題組 材料人點擊上方“材料人” 即可訂閱我們

 

　　【引言】

 

　　可逆鋅空氣電池由于價格低廉、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儲存器件應用方面具有巨大潛力。該電池的核心組分是驅動氧還原反應(ORR)和析氧反應(OER)的雙功能催化劑，但是其存在動力學緩慢及循環穩定性差等問題。因此，發展廉價、高效的雙功能催化劑，對于推動可逆鋅空氣電池的實際應用具有重要意義。氮化物，如Ni3FeN等，因其獨特的電子結構和半金屬特性，表現出優異的OER性能。但是將Ni3FeN應用于可逆鋅空氣電池中，面臨兩個瓶頸問題：1)氮化物的ORR活性低;2)氮化物的在合成過程(氨氣氣氛煅燒)中易團聚，難以得到更小尺寸、更多活性位暴露的氮化物，阻礙其OER性能的進一步提升。

 

　　【成果簡介】

 

　　近期，中科院理化技術研究所張鐵銳研究員等人在Nano Energy上發表一篇題為：“3D Carbon Nanoframe Scaffold-immobilized Ni3FeN Nanoparticle Electrocatalysts for Rechargeable Zinc-Air Batteries’ Cathodes”的文章。本論文利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的納米雙功能催化劑。其中，Co,N-CNF不僅具有優良ORR性能，并可有效減小Ni3FeN在高溫合成過程中的團聚問題，從而縮小其尺寸，使得該復合催化劑的OER性能明顯優于IrO2，ORR性能超過Pt/C，而且該復合催化劑可在可逆鋅空氣電池的高電流密度(50 mA cm-2)下穩定工作。該策略為設計和合成多功能催化劑提供了新思路。

 

　　【圖文導讀】

 

　　Ni3FeN/Co,N-CNF的結構示意圖

 

　　

 

 

 

　　圖1 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。

 

　　圖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及對比樣的Ni XANES圖譜;

 

　　(D) Ni3FeN/Co,N-CNF及對比樣的Fe XANES圖譜。

 

　　圖3 ORR性能表征

 

　　

 

 

 

　　(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。

 

　　圖4 OER性能表征

 

 

　　

　　(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。

 

　　圖5 鋅空氣電池性能表征

 

 

　　

 

 

 

　　(A) 一次鋅空氣電池的功率性能比較;

 

　　(B) 可逆鋅空氣電池的充放電極化曲線;

 

　　(C) 可逆鋅空氣電池在低電流密度(6 mA cm-2)下充放電循環曲線;

 

　　(D) 可逆鋅空氣電池在高電流密度(50 mA cm-2)下充放電循環曲線。

 

　　【小結】

 

　　研究人員利用Co,N-CNF優異的ORR性能和穩定負載物效應，成功地緩解了Ni3FeN的團聚問題，得到14 nm Ni3FeN負載Co,N-CNF雙功能催化劑，并可高效、穩定地應用于可逆鋅空氣電池中。該策略為高活性、多功能(OER, HER, ORR)催化劑的合成提供了思路，可廣泛應用于金屬空氣電池、可充放電式燃料電池、全分解水以及其他能源領域。

 

　　文章鏈接：3D Carbon Nanoframe Scaffold-immobilized Ni3FeN Nanoparticle Electrocatalysts for Rechargeable Zinc-Air Batteries’ Cathodes (Nano Energy, 2017. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.08.040)

 

　　張鐵銳博士簡介

 

　　張鐵銳，中國科學院理化技術研究所研究員，博士生導師;中科院特聘研究員。2003年于吉林大學取得博士學位，在2004-2009年間曾先后于德國馬普膠體界面研究所、加拿大國家納米研究所和阿爾伯塔大學、阿肯色大學及加州大學河濱分校進行博士后訪問，2009年11月起就職于中國科學院理化技術研究所。2017年當選英國皇家化學會會士。曾獲得萬人計劃首批青年拔尖人才、英國皇家學會牛頓學者、國家自然科學基金委優秀青年科學基金等獎勵。

 

　　主要研究領域為用于氫高效清潔制備和利用的納米催化材料，共發表SCI論文130余篇，正面引用4000余次，申請中國專利24項(15項已授權)。目前擔任Science Bulletin期刊副主編，Scientific Reports、Chinese Chemical Letters等期刊編委。