机构地区:[1]南京师范大学化学与材料科学学院,江苏省生物医学功能材料协同创新中心,江苏省新型动力电池重点实验室,江苏南京210023 [2]中国科学院过程工程研究所,多相复杂系统国家重点实验室/介观科学研究中心,北京100190 [3]中国科学院大学材料科学与光电子工程中心,北京100190 [4]哈尔滨师范大学物理与电子工程学院,光子与电子带隙材料教育部重点实验室,黑龙江哈尔滨150025 [5]扬州大学化学化工学院,江苏扬州225009
出 处:《Chinese Journal of Catalysis》2023年第11期278-289,共12页催化学报(英文)
基 金:国家自然科学基金(22272179,21972068,22072067,22232004).
摘 要:设计开发可用于电催化氧还原反应(ORR)的高效催化剂对于推进可持续能源技术(如燃料电池和金属空气电池等)的进一步发展至关重要.然而,由于ORR涉及多电子转移过程,并且动力学迟缓,电位高,从而限制了相关技术的实际应用.到目前为止,铂族金属被认为是ORR的基准电催化剂.然而,由于铂族金属资源稀缺、价格高、催化剂稳定性不足阻碍了其在不同能源装置中的进一步应用.因此,亟需开发出高活性、低成本、耐用的ORR电催化剂,从而推进可再生能源技术的进一步发展.双金属纳米合金因具有良好的导电性、可调整的电子态且金属间存在协同效应而被认为是一种有较大应用前景的ORR催化材料.本文采用自我牺牲模板法,将均匀的Co Ni合金纳米颗粒原位封装在N掺杂碳纳米管/纳米线耦合的分层结构中,构建了莫特-肖特基电催化剂(CoNi@N-CNT/NWs),并应用于金属空气电池.采用X射线衍射、拉曼光谱、热重、BET比表面积测试、X射线光电子能谱、扫描电子显微镜和透射电镜等方法对催化剂进行了表征.扫描电子显微镜和透射电镜结果表明,复合材料呈现一维多级结构的纳米管分支/纳米线主干的层次结构.实验结果和理论计算表明,CoNi纳米合金与N掺杂碳纳米管/纳米线的整流接触可以诱导自驱动电荷在莫特-肖特基异质结上转移,从而提高了电子转移效率并调节电荷分布.此外,碳分支/主干型分层结构作为支架的建立,增加了CoNi@N-CNT/NWs材料中活性位点的暴露,避免了材料堆积或聚集,进而提高了机械稳定性,缩短了传质扩散的路径并提高了气体传质的速率.得益于结构和电子优势,CoNi@N-CNT/NWs具有较好的ORR性能,其半波电位(E1/2)为0.86 V,在0.1 molL^(-1)KOH电解质中表现出较好的稳定性.采用CoNi@N-CNT/NWs电催化剂组装的锌空电池可以实现较高的开路电压、高峰值功率密度以及大比容量和The ingenious design and feasible fabrication of affordable, active and robust electrocatalysts towardthe oxygen reduction reaction (ORR) is imperative importance for the advancement of advancedsustainable energy technologies. The electronic structure modulation via the establishment of Mott-Schottky heterojunctions offers a powerful leverage to realize the boosted electrocatalytic intrinsicactivity, yet remaining challenging. Herein, an ingenious self-sacrificial template strategy is developedfor the fabrication of an advanced hybrid Mott-Schottky electrocatalyst composed of CoNi alloyednanoparticles in‐situ implanted within N-doped carbon nanotube/nanowire-integrated hierarchicalsuperstructures (CoNi@N-CNT/NWs). The combinations of experimental and theoretical studiesdemonstrate that the rectifying contact of CoNi nanoalloys and N-CNT/NWs can induce the selfdrivencharge transfer across the Mott-Schottky heterojunctions, giving rise to the improved electrontransfer rate, reconfigured charge distribution, and boosted intrinsic activity. Moreover, the “branches”/“trunk”- structured carbon substrates can offer the tight structural interconnectivity and highlyaccessible channels for active site exposure, thus dramatically facilitating the mass transfer duringthe electrocatalytic process. As anticipated, the as-prepared CoNi@N-CNT/NWs exhibit prominentORR performance with a half-wave potential (E_(1/2)) of 0.86 V and exceptional long-term stability in 0.1mol L‒1 KOH. The innovational manipulation of electronic state via the of Mott-Schottky heterojunctionscan enlighten the rational design of electrocatalysts with excellent performance.
关 键 词:CoNi合金 碳纳米管 碳纳米线 氧还原反应 锌空气电池
分 类 号:TB3[一般工业技术—材料科学与工程]
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