用于氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）的高性能且可持续的电催化剂对于可充电锌空气电池（ZAB）至关重要。该工作以天然全成分竹子作为碳源，三聚氰胺和氯化钴分别作为氮源和钴源。制备了独特的螺旋碳纳米管（HCNT）封装的钴​​纳米颗粒，将其用作ORR/OER电催化剂以提高ZAB的性能。所得的 HCNT 通过暴露更多的 Co─N 位点、提供优异的电子传导性并促进反应物的传质，有助于提高 ORR/OER 活性。HCNT 组装的可充电液体 ZAB 在 330 小时循环中显示出 226 mW cm⁻² 的最大输出功率密度和 0.85 V 的低电压间隙。柔性全固态 ZAB 实现了 59.4 mW cm⁻² 的最大功率密度和超过 25 小时的充放电循环。密度泛函理论（DFT）计算表明，HCNT上Co─N的增加有效地调节了Co的电子结构，优化了氧中间体的结合亲和力，导致较低的ORR/OER过电势。这项工作为将可再生竹生物质转化为多功能电催化剂铺平了道路，从而促进了下一代能源存储和转换设备的开发。
 
Fig 1. a) CoN-BC-0.3的合成示意图。 b–d) CoN-BC-0.3 的 SEM 图像。 e,f) TEM 和 g) CoN-BC-0.3 的 HRTEM 图像（L 代表层）。 h) CoN-BC-0.3对应的元素映射。
 
Fig 2. a) CoN-BC-x 样品的 XRD 图谱和 b) 拉曼光谱。 c) CoN-BC-0.3的N₂吸附/解吸等温线。 d) CoN-BC-0.3 的调查 XPS 光谱和 (e) C 1s、f) N 1s、g) O 1s 和 h) Co 2p 的高分辨率光谱。 i) CoN-BC-x 中各种氮形态的含量。
 
Fig 3. a) ORR 曲线和 b) 催化剂在 O₂ 饱和的 0.1 m KOH 溶液中、转速为 1600 rpm 时的塔菲尔图。 c) 催化剂的H₂O₂产率和电子转移数。 d) CoN-BC-0.3 和 Pt/C 的计时电流曲线。 e) CoN-BC-0.3 和 20% Pt/C 的甲醇耐受测试。f) 催化剂的OER曲线。 g) 相应的催化剂阻抗图。 h)双功能催化活性催化剂的LSV曲线。i) 催化剂的ΔE值。
 
Fig 4. a) 水性 ZAB 的示意图。 b) 基于CoN-BC-0.3和20% Pt/C+RuO₂的ZAB的开路图。 c) 基于CoN-BC-0.3和20% Pt/C+RuO₂的ZAB的放电极化曲线和相应的功率密度。 d) 充放电极化曲线。 e) 基于CoN-BC-0.3的ZAB在不同电流密度下的放电曲线。 f) 基于CoN-BC-0.3和20% Pt/C+RuO₂的ZAB的比容量。g) ZABs与CoN-BC-0.3和Pt/C+RuO₂的循环稳定性。 h) 由两个串联可充电液体 ZAB 供电的 LED (≈ 3.0 V) 照片。
 
Fig 5. a) 使用 CoN-BC-0.3 作为空气阴极的柔性可充电 ZAB 示意图。 b) 基于CoN-BC-0.3和20% Pt/C+RuO₂的ZAB的开路图。 c）ZAB的Pt/C+RuO₂和CoN-BC-0.3空气电极的充放电极化曲线以及相应的功率密度。d) 2 mA cm⁻² 下的循环稳定性。 e) 由两个串联 ZAB 供电的 LED (≈ 3.0 V) 照片。 f) 不同弯曲角度下柔性ZAB的开路电压。
 
Fig 6. a) Co─C₄ 和 Co─N₄ 模型的俯视图和侧视图。 (b) Co─C₄ 和 (c) Co─N₄ 沿 z 方向的平面平均电子差。插图显示电荷密度差异。电荷积累和耗尽区域用黄色和青色着色。计算 (d) Co─C₄ 和 (e) Co─N₄ 的 DOS。灰色和蓝色虚线分别表示费米能级和 d 带中心。 f) Co─C₄ 和 Co─N₄ 上的 O₂ 吸附能。g) 和 h) Co─C₄ 和 Co─N₄ 上 1.23 V 下 ORR/OER 的自由能曲线。 i) ORR/OER过程相应的中间结构。 Co、C、N、O 和 H 原子分别用青色、灰色、蓝色、粉色和橙色球体表示。
 
      相关与研究工作由青岛大学Bin Hui课题组于2023年在线发表在《Small》期刊上，Bamboo-Modulated Helical Carbon Nanotubes for Rechargeable Zn-Air Battery，原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202307776

转自《石墨烯研究》公众号