第一作者：Hao Jiang
通訊作者：Wenjun Zhang
通訊單位：香港城市大學
研究內(nèi)容：
氧電極反應(yīng)的遲緩動力學是發(fā)展可充電鋅空氣電池（ZABs）的一個瓶頸。在本文中，作者報告了一種通過將單獨分散的鎳單原子錨定在N摻雜的碳納米片（Ni SAs-NC）上而合成的雙功能電催化劑，它在氧還原反應(yīng)（ORR）和尿素氧化反應(yīng)（UOR）中表現(xiàn)出突出的整體性能。在此基礎(chǔ)上，一個概念性的尿素輔助的可充電ZAB通過耦合ORR和低熱力學電位的UOR被證明具有明顯降低的充電電壓和高尿素消除率。Ni SAs-NC的高雙功能電催化活性使尿素輔助ZAB的能量轉(zhuǎn)換效率大幅提高到71.8%，與傳統(tǒng)ZAB相比提高了17.1%?；?/span>Ni SACs的尿素輔助可充電ZAB的成功實施，提高了能量轉(zhuǎn)換效率，可能會推動ZAB技術(shù)走向?qū)嶋H應(yīng)用。
要點一：
為了確保尿素輔助的可充電ZABs的高效運行，需要具有低過電位和高穩(wěn)定性的先進ORR/UOR電催化劑。對于ORR，鉑基貴金屬由于其高催化活性而成為最典型的催化劑之一。然而，高成本和稀缺性的缺點限制了其廣泛的應(yīng)用。因此，各種非貴金屬電催化劑已被研究，其中鎳基電催化劑由于其有前途的ORR活性和低成本而引起了相當大的興趣。為了進一步提高其對ORR的電催化性能，這些鎳基催化劑的各種形態(tài)和結(jié)構(gòu)已被精心設(shè)計，以暴露出盡可能多的活性位點。最近，受益于最佳的原子利用效率和高度暴露的活性位點，鎳單原子催化劑（SACs）在實現(xiàn)ORR的高電催化活性方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。另一方面，含有豐富鎳位點的催化劑，包括鎳基氫氧化物、氧化物、磷化物、氮化物和合金，也已被證實具有顯著的UOR電催化活性。
要點二：
圖1. 尿素輔助的可充電ZABs的充電/放電過程示意圖。(a) 尿素輔助ZABs的基本構(gòu)造和工作機制。(b) 尿素輔助和傳統(tǒng)ZABs的理論充電電壓的比較。
圖2. (a) Ni SAs-NC的制備過程示意圖。(b-d) 不同放大倍數(shù)的Ni SAs-NC的SEM圖像。Ni SAs-NC的(e）STEM和（f，g）球差校正的HAADF-STEM圖像。在(g)中，一部分原子級的Ni物種被突出顯示。Ni SAs-NC的(h)暗場STEM和(i-l)相應(yīng)EDS映射圖像。
圖3. (a) NC、Ni NPs-NC和Ni SAs-NC的XRD圖。(b) Ni NPs-NC和Ni SAs-NC的Ni 2p XPS圖譜。(c) Ni SAs-NC和參考樣品、Ni foil、NiPc和NiO的Ni K邊XANES光譜。(d) Ni SAs-NC和參考樣品在Ni K-邊的FT-EXAFS曲線。
圖4. (a) 不同催化劑在O2/N2飽和的0.1M KOH中的CV曲線。(b) 不同催化劑在O2飽和的0.1M KOH中的LSV曲線。(c) 不同催化劑的ORR E1/2和jk的比較。(d) 不同催化劑的Tafel圖。(e) 在0.85V時，Ni NPs-NC、Ni SAs-NC和Pt/C的質(zhì)量活性比較。(f) Ni SAs-NC和Pt/C在0.6V（相對于RHE）的O2飽和0.1M KOH中的計時電流響應(yīng)。
圖5. (a)Ni SAs-NC在UOR和OER中的LSV曲線。(b) 不同催化劑在1.0M KOH+0.33M尿素中的UOR的LSV曲線。不同催化劑(c) 相應(yīng)的Tafel斜率，(d) Nyquist圖和(e) Cdl值。(f) Ni SAs-NC在1.39V（與RHE相比）的計時電流響應(yīng)。(g) 不同催化劑在ORR和UOR電位窗口內(nèi)的整體極化曲線。(h) 不同催化劑的ORR/UOR和ORR/OER雙功能電催化性能的比較。
圖6. (a) 充電/放電極化（j-V）曲線，(b) 放電極化（j-V）曲線以及尿素輔助和傳統(tǒng)ZAB的相應(yīng)功率密度圖。(c) 不同電流密度下尿素輔助和傳統(tǒng)ZAB的靜電充電曲線。(d) 在不同的電流密度下，基于Ni SAs-NC的尿素輔助ZAB的尿素消除率和相應(yīng)的法拉第效率。(e) 尿素輔助和傳統(tǒng)ZAB在10 mA cm-2下的恒流充電/放電循環(huán)曲線。
參考文獻：
Jiang, H.; Xia, J.; Jiao, L.; Meng, X.; Wang, P.; Lee, C.-S.; Zhang, W. Ni single atoms anchored on N-doped carbon nanosheets as bifunctional electrocatalysts for Urea-assisted rechargeable Zn-air batteries. Applied Catalysis B: Environmental 2022, 310, 121352.
