基于此,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)吳長征教授和謝毅院士等團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一款具有超高功率密度、穩(wěn)定性強(qiáng)的鋅-空氣電池。得益于納米孔的水阻效應(yīng),高活性的Co 原子團(tuán)簇位點(diǎn)被限域在特定的納米孔中,具有穩(wěn)定的氣-固-液三相反應(yīng)區(qū)域,從而增強(qiáng)了傳質(zhì)能力,活性位點(diǎn)得到充分利用,穩(wěn)定性強(qiáng)。同時(shí),緊密交織的多孔碳導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)與高度分散的活性位點(diǎn)也能顯著提高導(dǎo)電性和催化活性。因此,所制備的鋅-空氣電池在較高電流密度中展現(xiàn)了穩(wěn)定的放電性能(在100 mA·cm-2 中至少穩(wěn)定工作90 h)和優(yōu)異的功率密度(峰值功率密度大于300 mW·cm-2,比容量達(dá)到500 W·g·cat-1)。
在此研究中,通過將活性位點(diǎn)限定在指定的納米孔中,有效地提高了納米孔約束的電催化劑的傳質(zhì)能力以及活性位點(diǎn)的利用率。將Co(NO3)2、鄰二氮菲溶解在乙醇中,加入Ketjenblak多孔炭黑。由于碳基質(zhì)具有豐富的多孔結(jié)構(gòu)以及與金屬大環(huán)分子之間的π-π相互作用,可將Co-鄰二氮菲吸附于納米孔中。隨后通過冷凍干燥,在750 ℃ 惰性氣氛中煅燒2 h,將Co 團(tuán)簇限域到納米孔中,命名為Co/PC,示意圖如圖1a 所示。HRTEM 圖像表明Co/PC 中存在大量清晰可見的孔結(jié)構(gòu),且無納米顆粒存在。從圖1c 的HAADF-STEM 圖像可以看出,Co 原子對應(yīng)的大量亮點(diǎn)在碳骨架中均勻分布,大部分亮點(diǎn)的直徑都在0.5-1.0 nm 左右,說明Co 主要以鈷納米團(tuán)簇的形式存在。
在研究過程中,該團(tuán)隊(duì)借助合肥光源軟X射線磁圓二色站(BL12B)的同步輻射軟X射線吸收譜的表征(圖1b、c)發(fā)現(xiàn):相比于Co/CNT, Co/PC 的Co 的L 邊峰強(qiáng)度更大,表明Co/PC 樣品中Co 納米團(tuán)簇和碳基質(zhì)之間存在強(qiáng)電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)。而C 的K 邊 XANES 譜表明,Co/PC 樣品在287.1 eV 附近出現(xiàn)了弱吸收峰,也證實(shí)了Co 納米團(tuán)簇和碳基底之間的電荷轉(zhuǎn)移。這一研究成果將提高我們對設(shè)計(jì)高效ORR 催化劑的認(rèn)識.
相關(guān)研究工作以“Nanopore Confinement of Electrocatalysts Optimizing Triple Transport for an Ultrahigh-Power-Density Zinc-Air Fuel Cell with Robust Stability”為題,發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)材料》上[Advanced Materials 32(47): 2003251 (2020)]。
圖1. (a) Co 團(tuán)簇限域在多孔碳結(jié)構(gòu)(Co/PC)中的示意圖。(b-c) Co/PC 的TEM 圖和HRTEM 圖(d) Co/PC 和Co/CNT 的Co L-edge 及(e) C K-edge 吸收譜