用于氧還原反應（ORR）和析氧反應（OER）的高性能且可持續的電催化劑對于可充電鋅空氣電池（ZAB）至關重要。該工作以天然全成分竹子作為碳源，三聚氰胺和氯化鈷分別作為氮源和鈷源。制備了獨特的螺旋碳納米管（HCNT）封裝的鈷??納米顆粒，將其用作ORR/OER電催化劑以提高ZAB的性能。所得的 HCNT 通過暴露更多的 Co─N 位點、提供優異的電子傳導性并促進反應物的傳質，有助于提高 ORR/OER 活性。HCNT 組裝的可充電液體 ZAB 在 330 小時循環中顯示出 226 mW cm
−2 的最大輸出功率密度和 0.85 V 的低電壓間隙。柔性全固態 ZAB 實現了 59.4 mW cm
−2 的最大功率密度和超過 25 小時的充放電循環。密度泛函理論（DFT）計算表明，HCNT上Co─N的增加有效地調節了Co的電子結構，優化了氧中間體的結合親和力，導致較低的ORR/OER過電勢。這項工作為將可再生竹生物質轉化為多功能電催化劑鋪平了道路，從而促進了下一代能源存儲和轉換設備的開發。
Fig 1. a) CoN-BC-0.3的合成示意圖。 b–d) CoN-BC-0.3 的 SEM 圖像。 e,f) TEM 和 g) CoN-BC-0.3 的 HRTEM 圖像（L 代表層）。 h) CoN-BC-0.3對應的元素映射。
Fig 2. a) CoN-BC-x 樣品的 XRD 圖譜和 b) 拉曼光譜。 c) CoN-BC-0.3的N
2吸附/解吸等溫線。 d) CoN-BC-0.3 的調查 XPS 光譜和 (e) C 1s、f) N 1s、g) O 1s 和 h) Co 2p 的高分辨率光譜。 i) CoN-BC-x 中各種氮形態的含量。
Fig 3. a) ORR 曲線和 b) 催化劑在 O
2 飽和的 0.1 m KOH 溶液中、轉速為 1600 rpm 時的塔菲爾圖。 c) 催化劑的H
2O
2產率和電子轉移數。 d) CoN-BC-0.3 和 Pt/C 的計時電流曲線。 e) CoN-BC-0.3 和 20% Pt/C 的甲醇耐受測試。f) 催化劑的OER曲線。 g) 相應的催化劑阻抗圖。 h)雙功能催化活性催化劑的LSV曲線。i) 催化劑的ΔE值。
Fig 4. a) 水性 ZAB 的示意圖。 b) 基于CoN-BC-0.3和20% Pt/C+RuO
2的ZAB的開路圖。 c) 基于CoN-BC-0.3和20% Pt/C+RuO
2的ZAB的放電極化曲線和相應的功率密度。 d) 充放電極化曲線。 e) 基于CoN-BC-0.3的ZAB在不同電流密度下的放電曲線。 f) 基于CoN-BC-0.3和20% Pt/C+RuO
2的ZAB的比容量。g) ZABs與CoN-BC-0.3和Pt/C+RuO
2的循環穩定性。 h) 由兩個串聯可充電液體 ZAB 供電的 LED (≈ 3.0 V) 照片。
Fig 5. a) 使用 CoN-BC-0.3 作為空氣陰極的柔性可充電 ZAB 示意圖。 b) 基于CoN-BC-0.3和20% Pt/C+RuO
2的ZAB的開路圖。 c）ZAB的Pt/C+RuO
2和CoN-BC-0.3空氣電極的充放電極化曲線以及相應的功率密度。d) 2 mA cm
−2 下的循環穩定性。 e) 由兩個串聯 ZAB 供電的 LED (≈ 3.0 V) 照片。 f) 不同彎曲角度下柔性ZAB的開路電壓。
Fig 6. a) Co─C
4 和 Co─N
4 模型的俯視圖和側視圖。 (b) Co─C
4 和 (c) Co─N
4 沿 z 方向的平面平均電子差。插圖顯示電荷密度差異。電荷積累和耗盡區域用黃色和青色著色。計算 (d) Co─C
4 和 (e) Co─N
4 的 DOS。灰色和藍色虛線分別表示費米能級和 d 帶中心。 f) Co─C
4 和 Co─N
4 上的 O
2 吸附能。g) 和 h) Co─C
4 和 Co─N
4 上 1.23 V 下 ORR/OER 的自由能曲線。 i) ORR/OER過程相應的中間結構。 Co、C、N、O 和 H 原子分別用青色、灰色、藍色、粉色和橙色球體表示。
相關與研究工作由青島大學Bin Hui課題組于2023年在線發表在《Small》期刊上，Bamboo-Modulated Helical Carbon Nanotubes for Rechargeable Zn-Air Battery，原文鏈接：
https://doi.org/10.1002/smll.202307776
轉自《石墨烯研究》公眾號
