表面修飾硫化鈷的多孔氮化碳作為高活性的雙功
瀏覽次數(shù)： 342 發(fā)布時(shí)間：2017-09-19 10:41:46 發(fā)布人：editor
氧還原反應(yīng)(ORR)和產(chǎn)氧反應(yīng)(OER)是燃料電池和金屬空氣電池等能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中兩個(gè)非常重要的基本反應(yīng)。近年發(fā)展起來的氮摻雜碳材料具有較高的ORR催化活性，且價(jià)格低廉，原料豐富，在能源儲(chǔ)存及轉(zhuǎn)化領(lǐng)域中有巨大的應(yīng)用潛力。但是其較低的氮含量以及單一的活性物種限制了氮摻雜碳材料在實(shí)際金屬空氣以及燃料電池中的廣泛應(yīng)用。因此大量的研究轉(zhuǎn)而投入尋找具有更高氮含量的替代品，實(shí)驗(yàn)表明氮化碳聚合物(g-C3N4)具有豐富的氮活性位點(diǎn)，但是它的導(dǎo)電性差，比表面積小等特征不利于其在電催化及金屬空氣電池中的應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)g-C3N4中氮活性位點(diǎn)高效率利用，因此有必要充分提高其表面積以及材料表面的電子傳輸性能，從而實(shí)現(xiàn)其高效的催化性能。
【成果簡介】
近日，中佛羅里達(dá)大學(xué)的Wenhan Niu博士和Yang Yang教授等人在Advanced Energy Materials上發(fā)表題為“Surface-Modified Porous Carbon Nitride Composites as Highly Efficient Electrocatalyst for Zn-Air Batteries”的文章。該文章報(bào)道了一種利用自上而下的合成方法制備出非晶CoSx納米顆粒修飾的多孔g-C3N4催化劑并將其應(yīng)用于電催化和金屬空氣電池中。首先他們通過在高溫氧氣刻蝕的方法合成出具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的g-C3N4，然后通過進(jìn)一步將g-C3N4與石墨烯混合，硫化等步驟制備出非晶CoSx修飾的g-C3N4催化劑。其中網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠?yàn)間-C3N4提供較大的表面積以及反應(yīng)分子傳輸通道，同時(shí)CoSx在最大程度上提高的g-C3N4表面的導(dǎo)電性并且實(shí)現(xiàn)了g-C3N4在ORR和OER中的雙功能催化作用。通過電化學(xué)測試，這種多孔結(jié)構(gòu)的g-C3N4催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化活性以及電池循環(huán)性能，其表現(xiàn)甚至優(yōu)于商業(yè)的RuO2, Pt/C等貴金屬催化劑。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1. 材料的制備流程圖
圖2. 催化劑電化學(xué)測試結(jié)果
a) 不同催化劑的OER極化曲線;
b)不同催化劑的Tafel曲線
c) CoSx@PCN/RGO在催化OER過程中環(huán)電流密度。
d) CoSx@PCN/RGO在催化OER過程的法拉第效率。
e)催化劑在ORR過程中的電子轉(zhuǎn)移數(shù)和雙氧水產(chǎn)率。
f)催化劑在ORR和OER區(qū)間的極化曲線。
圖3.鋅空電池組裝以及測試
a)扣試鋅空電池的結(jié)構(gòu)圖。
b)扣式鋅空電池放電曲線及開路電壓圖。
c) CoSx@PCN/RGO組裝的扣試鋅空電池充放電循環(huán)測試。
d) 商業(yè)Pt/C組裝的扣試鋅空電池充放電循環(huán)測試
【小結(jié)】
該工作利用成本低廉的氮化碳和過渡金屬鈷為原料，采用巧妙簡便的方法成功合成出具有高活性的雙功能非貴金屬電催化劑，為廣泛開發(fā)應(yīng)用燃料電池以及金屬空氣電池技術(shù)提供了有效的解決途徑和方案，同時(shí)還可以促進(jìn)可穿戴電子設(shè)備和微電子產(chǎn)品的發(fā)展。
文獻(xiàn)鏈接：Surface-Modified Porous Carbon Nitride Composites as Highly Efficient Electrocatalyst for Zn-Air Batteries(Adv. Energy Mater.，2017，DOI: 10.1002/aenm.201701642)