第一作者：Nayantara K. Wagh, Dong-Hyung Kim
通訊作者：Jung-Ho Lee
通訊單位：Hanyang University
研究?jī)?nèi)容：
可充電的水系鋅空電池(ZACs)有望成為一種極其安全和高能量的技術(shù)。然而，它們?nèi)匀皇艿骄徛碾娀瘜W(xué)動(dòng)力學(xué)和源自雙功能催化劑與電解質(zhì)之間副反應(yīng)的不可逆性的顯著限制。在此，作者報(bào)告了通過(guò)電子結(jié)構(gòu)調(diào)控的方法，在氮化石墨碳框架（FeCoSAs@Co/N-GC）中優(yōu)先構(gòu)建以FeCo單/雙原子構(gòu)成的邊緣位點(diǎn)為特征的界面結(jié)構(gòu)，并整合Co位點(diǎn)。與商業(yè)化的Pt/C和RuO2相比，FeCoSAs@Co/N-GC顯示出卓越的電化學(xué)性能和可逆的氧化還原動(dòng)力學(xué)。除此之外，由于該催化劑界面上的協(xié)同效應(yīng)和優(yōu)先的電荷/質(zhì)量轉(zhuǎn)移，其在普遍的pH環(huán)境下（即堿性、中性和酸性）對(duì)ORR和OER具有耐久性。由FeCoSAs@Co/N-GC陰極構(gòu)建的水系（堿性、非堿性和酸性電解質(zhì)）ZACs能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，并且具有顯著的可逆性和最高的能量密度，其在大氣環(huán)境中的表現(xiàn)優(yōu)于貴金屬同類產(chǎn)品和最先進(jìn)的ZACs。此外，柔性固態(tài)ZACs表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械和電化學(xué)性能，其最高功率密度為186mW cm-2，比容量為817mAh gZn-1，能量密度為1017Wh kgZn-1，在極為苛刻的操作條件下循環(huán)壽命＞680次，這說(shuō)明三相催化劑在綠色儲(chǔ)能技術(shù)方面具有巨大潛力。
示意圖1：本文中的示意圖
要點(diǎn)一：
本文中，作者通過(guò)三步濕化學(xué)和恒溫碳化過(guò)程合成了FeCoSAs@Co/N-GC異質(zhì)結(jié)構(gòu)催化劑，其可作為水系（即堿性、非堿性和酸性電解質(zhì)）和固態(tài)ZACs的高效pH通用雙功能ORR/OER催化劑。通過(guò)XRD、HRTEM、HAADF-STEM、XPS和EXAFS分析了FeCoSAs@Co/NGC的結(jié)構(gòu)和形態(tài)特性。FeCoSAs@Co/N-GC具有獨(dú)特的原子配位和電子結(jié)構(gòu)，具有豐富的Fe-Nx、Co-Nx、Co-Co、Fe-Co和Co-C活性位點(diǎn)，這導(dǎo)致了其ORR/OER雙功能性能的大幅提升。
要點(diǎn)二：
與堿性電解質(zhì)中的商用Pt/C（E1/2= 0.84 V）和RuO2（ηj=10= 0.33 V）相比，FeCoSAs@Co/N-GC顯示了ORR和OER的基準(zhǔn)活性和穩(wěn)定性（E1/2= 0.88 V，ηj=10= 0.29V）。值得注意的是，在通用pH范圍下，混合框架也表現(xiàn)出令人欽佩的ORR和OER活性和穩(wěn)定性。使用中性和酸性電解質(zhì)的雙功能氧反應(yīng)具有最小過(guò)電位分別為0.72V、0.63V，這超過(guò)了貴金屬基和報(bào)告的最先進(jìn)的催化劑。此外，與Pt/C+RuO2相比，在堿性環(huán)境下構(gòu)建的具有FeCoSAs@Co/N-GC陰極的ZACs在10mA cm-2下顯示出>1200次循環(huán)的長(zhǎng)壽命，功率密度為207mW cm-2。
要點(diǎn)三：
本文介紹了使用雙三氟甲基磺酰亞胺（TFSI）陰離子衍生的鋅鹽作為電解質(zhì)的非堿性ZACs。Zn基水系（ZnTFSI）電解質(zhì)在中性pH值下具有極佳的保水能力，通過(guò)抑制副反應(yīng)，提供了Zn的特殊可逆性，不會(huì)形成枝晶和界面結(jié)構(gòu)。該非堿性ZACs提供了卓越的比容量（813mAh gZn-1）和耐用性（在5mAcm-2時(shí)>1800次循環(huán)），超過(guò)了堿性ZACs的表現(xiàn)。這為困擾堿性電池和其他全金屬空氣電池的電化學(xué)不可逆性提供了一個(gè)明確的解決方案。此外，固態(tài)柔性ZACs也顯示出優(yōu)異的性能（能量密度為1017Wh kgZn-1，循環(huán)壽命在50mA cm-2條件下>680次）和機(jī)械強(qiáng)度。具有FeCoSAs@Co/N-GC的酸性可逆ZACs具有75.2%的卓越能效，OCP為2.1V，功率密度為144mW cm-2，能量密度為1345Wh kgZn-1以及循環(huán)壽命>330次，這超越了傳統(tǒng)的酸性二次電池。
圖1.FeCo SAs@Co/N-GC催化劑的合成及表征。
圖2.原子配位和電子特性的測(cè)量。
圖3.在堿性和非堿性電解質(zhì)下的氧雙功能電化學(xué)性能。
圖4.鋅空氣全電池在堿性電解質(zhì)下的電化學(xué)性能
圖5.鋅空氣全電池在非堿性電解質(zhì)（Zn(TFSI)2）下的電化學(xué)性能。
圖6.固態(tài)柔性鋅空氣全電池的電化學(xué)性能。
圖7.酸性混合鋅空氣全電池的電化學(xué)性能。
參考文獻(xiàn)：
Nayantara K. Wagh, Dong-Hyung Kim, Sung-Hae Kim, Sambhaji S. Shinde, and Jung-Ho Lee*. Heuristic Iron–Cobalt-Mediated Robust pH-Universal Oxygen Bifunctional Lusters for Reversible Aqueous and Flexible Solid-State Zn–Air Cells. ACSNano2021, doi.org/10.1021/acsnano.1c04471.
