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锌空气电池用锚定Fe3O4/Fe2O3/Fe纳米粒子掺氮分级多孔纳米碳球高效ORR电催化剂第一作者：王亚丽通讯作者：马昌*，史景利*单位：天津工业大学，美国北卡罗莱纳州立大学
研究背景
目前，以锌空气电池为代表的金属空气电池因为能量密度高、环境友好等优点成为解决人类能源危机的最有前景的储能器件之一。开发高效廉价的氧还原反应（ORR）催化剂对金属空气电池的发展至关重要。目前商业铂（Pt）基催化剂存在成本高、储量有限和耐用性差等问题，严重限制了金属空气电池的大规模推广。因此设计和开发具有优异催化活性和耐久性的非贵金属ORR催化剂成为金属空气电池发展的当务之急。近年来，铁基化合物/掺氮碳复合催化剂因为催化活性高、稳定性优异以及价格低廉等优势成为最具吸引力的Pt/C催化剂替代者之一。然而，目前基于简单工艺获得稳定高效铁基化合物/掺氮碳ORR催化剂依然面临挑战。
文章简介
近日，天津工业大学马昌副教授、史景利教授（共同通讯）在JournalofMaterialsChemistryA上发表题为“Fe3O4/Fe2O3/FenanoparticlesanchoredonN-dopedhierarchicallyporouscarbonnanospheresashigh-efficiencyORRelectrocatalystsforrechargeableZn-airbatteries”的研究文章。该论文首次报道了一种制备高效铁基化合物/掺氮碳ORR复合催化剂的方法，即通过在氨/氩混合气氛中一步热解铁基醌胺聚合物制备负载Fe3O4/Fe2O3/Fe纳米粒子的掺氮分级多孔纳米碳球，该制备工艺简单，所得铁基化合物/掺氮碳催化剂展现出优异的ORR催化活性、稳定性和甲醇耐受性，展现出良好的应用前景，该论文入选JMCA期刊HotPaper。
本文要点
要点一：制备工艺简单、材料结构独特图1材料制备工艺与结构表征通过在氨/氩混合气氛中一步热解铁基醌胺聚合物纳米球即可制得负载Fe3O4/Fe2O3/Fe纳米粒子的掺氮分级多孔纳米碳球，制备工艺简单。所得复合纳米碳球粒径均一，不仅负载分布均匀的Fe3O4/Fe2O3/Fe纳米粒子，含有数量可观的掺杂氮，还具有典型的分级多孔结构和高比表面积（.4m2/g），提供了一种催化ORR的理想结构。要点二：优异的ORR催化性能图2所得材料的ORR催化性能所制备的负载Fe3O4/Fe2O3/Fe纳米粒子掺氮分级多孔纳米碳球表现出优异的ORR催化性能。其半波电位为0.mVvs.RHE,比商业Pt/C半波电位正7mV,且具有优异的长循环稳定性，CV循环圈后半波电位仅下降14mV,优于商业Pt/C。同时，其还具有高效的ORR动力学性能，Tafel斜率为70.6mV·dec-1,商业Pt/C为78.7mV·dec-1。要点三：获得锌空气电池高性能图3.基于所得ORR催化剂组装锌-空气电池的性能基于负载Fe3O4/Fe2O3/Fe纳米粒子掺氮分级多孔纳米碳球组装的锌空气电池显示出较高的功率密度（.8mW·cm-2）。在电流密度为10mA·cm-2时，可持续恒流放电小时，比容量高达mAh·g-1,同时还显示优异的循环稳定性，在金属空气电池应用上展示出良好前景。要点四：结论与展望本论文提出了一种简单制备高效非贵金属ORR催化剂的方法，即通过在氨/氩混合气氛中一步热解铁基醌胺聚合物制备负载Fe3O4/Fe2O3/Fe纳米粒子的掺氮分级多孔纳米碳球。所得催化剂显示出优于商用Pt/C的ORR催化活性与耐久性，在锌-空气电池的实际使用中展现出巨大的应用潜力。此方法可进一步扩展到其他非贵金属/碳复合催化剂的简单高效制备，为非贵金属ORR催化剂的开发提供了新的思路。
文章链接
Fe3O4/Fe2O3/FenanoparticlesanchoredonN-dopedhierarchicallyporouscarbonnanospheresashigh-efficiencyORRelectrocatalystsforrechargeableZn-airbatteries
