催化劑的表面和界面對(duì)其電催化活性有重要的影響，江蘇師范大學(xué)沙琳娜博士、韓錫光教授課題組和浙江工業(yè)大學(xué)莊桂林教授課題組以均勻的球狀NiCo配位化合物為前驅(qū)體，設(shè)計(jì)合成出具有均勻的空心球結(jié)構(gòu)的氮摻雜碳包覆NiCo合金（NiCo@N-C）電催化劑。得益于獨(dú)特均勻的空心結(jié)構(gòu)帶來大的比表面積，以及NiCo納米顆粒與氮摻雜碳層均勻的界面之間的協(xié)同作用，該材料在鋅空電池應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)異的放電性能和穩(wěn)定性。
鋅空氣電池具有能量密度高、自放電低、放電曲線平穩(wěn)和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是極具潛力的能量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)換設(shè)備。然而發(fā)生在空氣電極上的氧還原反應(yīng)(ORR)和析氧反應(yīng)(OER)存在電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)緩慢和過電勢(shì)較大等問題阻礙了鋅空電池的商業(yè)化應(yīng)用。商業(yè)Pt/C和RuO2作為目前市場(chǎng)主要使用的催化劑，面臨諸如價(jià)格高和穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。因此開發(fā)具有高ORR和OER活性的高效電催化劑對(duì)于鋅空電池的發(fā)展是至關(guān)重要的。
雖然雙金屬催化劑具有優(yōu)異的電催化活性，但直接在碳載體上負(fù)載雙金屬催化劑在電化學(xué)過程中極易發(fā)生金屬的流失和聚集。因此，構(gòu)筑具有空心結(jié)構(gòu)的氮摻雜碳?xì)ぐ搽p金屬納米顆粒是提高雙金屬催化劑在堿性電解質(zhì)中的電催化活性和穩(wěn)定性的有效策略之一。其中高導(dǎo)電性的氮摻雜碳層不僅可以孤立金屬顆粒，還能夠通過外層碳?xì)さ谋Ｗo(hù)有效避免金屬納米顆粒在電化學(xué)過程中的團(tuán)聚和腐蝕，從而提高催化劑的活性和穩(wěn)定性。此外，雜原子氮的引入會(huì)使氮原子相鄰的碳原子缺乏電子，導(dǎo)致費(fèi)米能級(jí)上移，從而提高電荷遷移速率。
基于上述考慮，江蘇師范大學(xué)沙琳娜博士、韓錫光教授課題組和浙江工業(yè)大學(xué)莊桂林教授課題組以NiCo配位化合物為前驅(qū)體，通過原位煅燒的策略合成出了氮摻雜碳包覆NiCo合金（NiCo@NC）。獨(dú)特的空心球結(jié)構(gòu)不僅提供為ORR/OER過程提供了大量活性位點(diǎn)，同時(shí)增強(qiáng)了電子傳遞和物質(zhì)傳輸速率。此外，理論計(jì)算結(jié)果證明 NiCo納米粒子和氮摻雜碳層之間的協(xié)同作用有益于O2*和OH*中間體的活化，從而有效提高催化劑OER/ORR活性。電化學(xué)性能測(cè)試表明，制備的NiCo@NC表現(xiàn)出優(yōu)異的OER（Ej=10=1.54 V vs.RHE）和ORR（E1/2=0.77 V vs.RHE）雙功能催化活性。將其作為陰極催化劑組裝的鋅空氣電池，在電流密度為10 mA cm-2時(shí)放電比容量高達(dá)788.7 mAh g-1，并保持200 h的充放電循環(huán)穩(wěn)定性。本研究為制備高效的過渡金屬基電催化劑提供了新的思路和方法。
圖1 (a) NiCo配位化合物前驅(qū)體的SEM圖，NiCo@NC的 (b) SEM、(c) TEM、(d, e) HRTEM和 (f) SAED圖，(g-k) 對(duì)應(yīng)的EDX元素分布圖，NiCo@NC的 (l) XRD和 (m) Raman圖。 圖2 (a) 鋅空電池示意圖，(b) 放電極化及功率密度曲線，(c) 放電曲線，(d) 充放電循環(huán)穩(wěn)定性曲線，(e) 實(shí)際應(yīng)用照片 論文信息 N-Doped Carbon Confined NiCo Alloy Hollow Spheres as an Efficient and Durable Oxygen Electrocatalyst for Zinc-Air Batteries Shijie Huang, Wei Zhang, Qiong Chen, Shuo Zhou, Ling Sun, Dr. Linna Sha, Prof. Guilin Zhuang, Prof. Po Wang, Prof. Xiguang Han Chemistry – A European Journal DOI: 10.1002/chem.202300321
