化石燃料的過度消耗和溫室效應(yīng)的日益嚴(yán)重極大地威脅著全球可持續(xù)發(fā)展。鋅-空氣電池和燃料電池作為最有前途的、可再生的、環(huán)境友善的和高容量的下一代能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)技術(shù)，已經(jīng)獲得了越來越多的關(guān)注。放電過程中的電化學(xué)氧還原反應(yīng)(ORR)和充電過程中的析氧反應(yīng)(OER)是鋅-空氣電池的核心反應(yīng)。構(gòu)建具有高活性和穩(wěn)定性的雙功能電催化劑是提高OER/ORR效率(克服緩慢的動(dòng)力學(xué)和大的過電位)和耐久性的有效策略。
最近的研究已經(jīng)證明具有明確原子結(jié)構(gòu)和獨(dú)特電子/幾何性質(zhì)的單原子催化劑(SAC)，是貴金屬基電催化劑有希望的替代者。然而，精確控制合成過程以避免金屬聚集，最大程度地暴露金屬活性位點(diǎn)以確保高金屬利用率以及進(jìn)一步優(yōu)化催化效率仍然具有挑戰(zhàn)性。
近日，西安交通大學(xué)何成和東北石油大學(xué)李智君等通過兩步退火獲得了一個(gè)氮和磷共摻雜的中孔碳納米片無金屬電催化劑(NPC-950)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，NPC-950催化劑在堿性條件下表現(xiàn)出良好的ORR/OER雙功能活性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，優(yōu)于大多數(shù)報(bào)道的雙功能電催化劑。
更重要的是，該催化劑在酸性條件下表現(xiàn)出與商業(yè)Pt/C相當(dāng)?shù)腛RR活性，同時(shí)具有出色的甲醇滲透耐受性和出色的耐久性。NPC-950作為可充鋅-空氣電池的空氣負(fù)極時(shí)，開路電位為1.41 V，峰值功率密度為184.5 mW cm-2，比容量為726.4 mAh g-1，并能夠在20 mA cm-2的電流密度下穩(wěn)定運(yùn)行85小時(shí)，其電池性能超過了基準(zhǔn)Pt/C+RuO2催化劑。
理論計(jì)算表明，由于雜原子P摻入到NC基體中，一定數(shù)量的電荷在N和P之間以及周圍的C原子之間轉(zhuǎn)移，這表明P的引入可以顯著地誘導(dǎo)電荷密度的重新分布，電子態(tài)的變化影響了含氧物種在材料上的吸附/脫附，降低反應(yīng)能壘，從而加速ORR/OER過程。
總的來說，該項(xiàng)工作強(qiáng)調(diào)了電子性質(zhì)調(diào)控在雙功能氧電催化中的重要性，為高效碳基無金屬電催化劑的合理設(shè)計(jì)和工業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
Constructing asymmetrical coordination microenvironment with phosphorus-incorporated nitrogen-doped carbon to boost bifunctional oxygen electrocatalytic activity. Advanced Functional Materials, 2024. DOI: 10.1002/adfm.202314444
