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Small Methods孫靈娜團(tuán)隊(duì)在利用原子層沉積技術(shù)制備高效的鋅空氣電池陰極催化材料方面取得進(jìn)展
來(lái)源：深圳大學(xué) 2022-07-04
導(dǎo)讀：近日，深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院孫靈娜教授團(tuán)隊(duì)在《Small Methods》（影響因子14.188，中科院JCR 1區(qū)）上發(fā)表題為《Defective Fe3O4-x Few-Atom Clusters Anchored on Nitrogen-Doped Carbon as Efficient Oxygen Reduction Electrocatalysts for High-Performance Zinc–Air Batteries》的研究論文。該團(tuán)隊(duì)的褚盼盼碩士研究生和張穎朦研究員為共同第一作者，深圳大學(xué)孫靈娜教授與加利福尼亞大學(xué)陳少偉教授為共同通訊作者，深圳大學(xué)為第一通訊單位。
鋅空氣電池（ZAB）因金屬鋅儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉，以及在理論能量密度（1086 Wh kg-1）和安全性等方面的優(yōu)勢(shì)，被譽(yù)為是新一代的綠色能源技術(shù)。但是鋅空氣電池的實(shí)際應(yīng)用受限于氧還原反應(yīng)（ORR）和氧析出反應(yīng)（OER）緩慢的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。貴金屬基催化材料雖然具有不錯(cuò)的ORR和OER性能，但因其儲(chǔ)量稀缺、價(jià)格昂貴和穩(wěn)定性差，仍然無(wú)法滿足實(shí)際的應(yīng)用需求。因此需要開(kāi)發(fā)高效穩(wěn)定的非貴金屬基催化材料作為鋅空氣電池的空氣陰極催化劑。鑒于此，深圳大學(xué)孫靈娜教授課題組聯(lián)合加州大學(xué)陳少偉教授課題組，以Zn-ZIF為模板，使用等離子體增強(qiáng)原子層沉積技術(shù)在ZIF上沉積一層原子級(jí)厚度的Fe3O4，隨后經(jīng)過(guò)1000 ℃的可控?zé)峤馓幚恚現(xiàn)e3O4轉(zhuǎn)化為具有豐富氧空位的 Fe3O4-x 團(tuán)簇，并錨定在Zn-ZIF衍生的氮摻雜碳框架上。優(yōu)化條件所制備的納米復(fù)合物（Fe3O4-x/NC-1000）在堿性和酸性介質(zhì)中均表現(xiàn)出優(yōu)異的氧還原性能（堿性介質(zhì)中半波電位可達(dá)0.930 V vs. RHE）、長(zhǎng)循環(huán)性能和抗甲醇毒化作用。如此優(yōu)異的ORR性能主要?dú)w因于：1、原子級(jí)厚度的Fe3O4沉積在二維Zn-ZIF上，使得后續(xù)處理所得的缺陷 Fe3O4-x在碳骨架上富集，活性位點(diǎn)得到了充分的暴露；2、氧空位對(duì)導(dǎo)電性、氧吸附能力以及電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)的提升；3、具有電荷再分布作用的氮摻雜石墨化碳，既可以作為質(zhì)子和電子轉(zhuǎn)移的良好媒介，又可以作為錨定 Fe3O4-x團(tuán)簇的基體。鑒于Fe3O4-x/NC-1000具有優(yōu)異的ORR性能，將其作為鋅空氣電池的空氣陰極催化劑層，具有高達(dá)158 mW cm-2的能量密度，在5 mA cm-2電流密度下可以超過(guò)600小時(shí)穩(wěn)定充放電循環(huán)2000圈。
該項(xiàng)工作的研究成果突出了原子層沉積技術(shù)在制備高效的鋅空氣電池陰極催化材料的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，為制備其他高效催化材料提供了一定的技術(shù)指導(dǎo)。
該研究項(xiàng)目得到了中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金、深圳市自然科學(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金的資助。論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smtd.202200207參考資料：https://chem.szu.edu.cn/info/1061/5333.htm
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