Energy Storage Mater. :用于锌-空气电池的Fe-Co双单原子催化剂的软模板导向层间限制合成

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第一作者:Yunyan Wu, Caichao Ye, Lei Yu

通讯作者:Pan Xiong, Junwu Zhu

通讯单位:南京理工大学

 

研究内容:

双单原子催化剂(DSACs)能否实现原子利用率的最大化,很大程度上取决于双金属单原子在理想载体上的稳定性,例如那些具有开放双面的二维(2D)原子层。然而,金属与二维载体之间相互作用的调控对于提高DSACs的催化性能至关重要,而常规的二维原子纳米片很难实现这一点。本文报道了一种软模板定向层间限制合成Fe-Co DSAC的方法。FeCo单原子通过与氮(N)和硫(S)杂原子的配位分别稳定在二维碳纳米片上,形成FeN4S1/CoN4S1构型。Fe-Co双金属中心的协同作用优化了吸附/解吸特性,降低反应能垒,从而提高氧还原反应(ORR)活性。Fe-Co DSAC表现出优异的ORR电催化活性,半波电位为0.86 V,最大功率密度为152.8 mW cm-2,优于单金属FeCo SACs。这项工作为合成有效的DSACs以实现高性能电催化铺设了一条新的途径。


 

要点一:

本文中作者报道了一种软模板定向层间限制合成Fe-Co DSAC的方法。二维软模板是通过全氟十四烷酸(PFTA)和硬脂酸(SA)两种双亲化合物自组装成片状胶束而形成的。FeCo离子被限制在二维软模板的夹层和随后涂覆的聚吡咯(Ppy)层之间。经过热解过程得到Fe-Co DSAC,称为FeCo-NSC其中FeCo单原子通过与NS杂原子的配位分别隔离在二维碳纳米片上,这一点通过像差校正的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜(AC-HAADF-STEM)、X射线吸收光谱(XAS)和理论计算得到证明。

 

要点二:

与单原子相比,FeCo双单原子的协同作用降低了中间体的吸附/解吸能垒,增强了电荷转移,使ORR活性稳定且优越。采用FeCo-NSC阴极组装成高效的锌空电池,其开路电位高达1.51 V,功率密度高达152.8 mW cm-2,优于采用单金属Fe/Co SACs组装成的锌空电池。这项工作为合理设计用于可持续能源转换应用的DSACs提供了一种新的方法。


1. (a)FeCo-NSC的合成过程示意图。FeCo-NSC(b)SEM(c)TEM图像。(d) FeCo-NSCHAADF-STEM图和相应的元素映射图。(e)AFM图像和相应的FeCo-NSC的高度曲线。(f) FeCo-NSCAC-HAADF-STEM图像。一些双金属Fe-Co位点用红色圆圈突出。(g) f中的两个双金属Fe-Co位点上得到的强度曲线。


2. Ppy-FeCo-PFTA/SAFeCo-NSC中(aN 1s和(bS 2p的高分辨XPS光谱。(c) FeN4S1-CoN4S1的优化原子结构和相应的键长。(d) Fe KXANES光谱。(e) FeCo-NSC和参考样品的FT-EXAFS光谱。(f) FeCo-NSCFePcFe K边的R空间的相应拟合。(g) Co K边的XANES光谱。(h) FeCo-NSC和参考样品的FT-EXAFS光谱。(i) FeCo-NSCCoPcCo K边的R空间的相应拟合。


3. (a) FeCo-NSC, Fe-NSC, Co-NSC, NSCPt/CO2饱和的0.10 M KOH(实线)和N2饱和的0.10 M KOH(虚线)中的CV曲线,扫描速率为5 mV s-1(b) LSV曲线。(c)FeCo-NSCFe-NSCCo-NSCNSCPt/C0.2V时的E1/2JL,扫描速率为5 mV s-1,旋转速度为1600 rpm(d) FeCo-NSCFe-NSCCo-NSCNSCPt/CTafel斜率。在O2饱和的0.10M KOH中,FeCo-NSCPt/C1600rpm的旋转速度在0.5V下的i-t曲线(e)为40000s,(f)在400s时加入1.0M甲醇。


4.(a)NSC(b)FeCo-NSC1.20.2V之间的可逆ORR循环中的原位拉曼光谱(vs. RHE)。(c) NSCFeCo-NSCID/IG的相应变化。(d) FeCo-NSC结构的电荷密度差异。FeCo-NSC中(eCo位点和(fFe位点上的ORR自由能变化。(g) FeCo-NSCCo位点上的ORR反应途径。


5.(a)设计的锌空气电池的示意图,其阴极为FeCo-NSC,阳极为Zn板。(b) 基于FeCo-NSC组装的锌空气电池的照片,显示开路电压为1.512V。基于FeCo-NSCFe-NSCCo-NSCPt/C的锌空气电池的(c)开路电压曲线和(d)恒电流放电曲线。(e) 基于FeCo-NSCPt/C的锌空气电池的放电极化和相应的功率密度曲线。(f)两个基于FeCo-NSC的锌空气电池串联点亮一盏灯(2.5 V, 450 mW)的照片。

参考文献:

Wu, Y.; Ye, C.; Yu, L.; Liu, Y.; Huang, J.; Bi, J.; Xue, L.; Sun, J.; Yang, J.; Zhang, W.; Wang, X.; Xiong, P.; Zhu, J. Soft Template-Directed Interlayer Confinement Synthesis of a Fe-Co Dual Single-Atom Catalyst for Zn-Air Batteries. Energy Storage Mater. 2021. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.12.029.


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