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陜科大沈夢霞課題組 CEJ:定向冷凍澆筑和化學氣相沉積方法構建納米纖維素碳氣凝膠錨定的單原子催化劑
2023-04-06  來源:高分子科技

  水系鋅空氣電池具有高理論能量密度、高安全性和低成本等優(yōu)勢,在柔性和可穿戴電子設備等領域具有潛在商用價值。鋅空氣電池正極氧還原反應(ORR)遲滯的反應動力學導致電池放電過程產(chǎn)生較大的過電位,嚴重影響了電池的實際能量密度。Fe-NxC單原子催化劑(SAC)既可以最大程度上提高Fe-Nx活性位點的比例,又可以提高對特定反應途徑(如四電子ORR)的選擇性。但金屬原子在高溫下燒結極易發(fā)生遷移和團聚,形成金屬團簇或金屬納米顆粒。此外,碳載體有限或單一的孔隙結構進一步限制了三相界面?zhèn)髻|擴散速率和Fe-Nx活性位點的充分利用。納米纖維素氣凝膠是一種結合了傳統(tǒng)氣凝膠及纖維素本身優(yōu)良性能的新型材料,具有綠色環(huán)?沙掷m(xù)、高孔隙率、大比表面積、低密度等優(yōu)良特性,可以作為Fe-NxC SAC的優(yōu)良載體。然而,如何精確引入金屬原子并優(yōu)化其在氣凝膠的空間分布和配位環(huán)境仍然是一個重大挑戰(zhàn)。


  針對上述問題,陜西科技大學生物質化學與材料院士創(chuàng)新團隊沈夢霞副教授課題組以一維的纖維素納米纖維(CNF)和高N含量的芳綸納米纖維(ANF),二維的氧化石墨烯(GO)通過定向冷凍澆鑄和冷凍干燥方法,制備出多孔納米片層相互連接的3D蜂窩狀氣凝膠。通過CNFGO表面的大量負電基團吸附低沸點金屬Cd,在熱解過程中引入二茂鐵,通過氣相揮發(fā)Cd和化學氣相沉積Fe的策略備了具有單原子Fe的分級多孔N摻雜碳氣凝膠(Fe-SA@PNC)。由于Fe-SA@PNC高度穩(wěn)定的蜂窩狀形態(tài)和多級孔結構,以及碳載體中富含Fe-N4位點,Fe-SA@PNC表現(xiàn)出顯著的氧還原反應(ORR)活性與穩(wěn)定性。同時由Fe-SA@PNC組裝的鋅-空氣電池也表現(xiàn)出149 mW cm-2的峰值功率密度和936 W h kg-1的能量密度。


1. Fe-SA@PNC催化劑的制備過程示意圖。


2. CAGO氣凝膠的形貌表征。

3. Fe-SA@PNC微觀形貌表征。


4. Fe-SA@PNC物理化學表征。


5. Fe-SA@PNCFe-K同步輻射X射線吸收譜圖和擬合表征。


6. Fe-SA@PNCORR性能表征。


7. Fe-SA@PNC組裝的鋅-空氣電池性能表征。


  相關研究成果以“Chemical vapor deposition strategy for inserting atomic FeN4 sites into 3D porous honeycomb carbon aerogels as oxygen reduction reaction catalysts in high-performance Zn-air batteries為題發(fā)表在Chemical Engineering Journal上。陜西科技大學沈夢霞副教授、段超副教授University of New Brunswick/University of Maine倪永浩教授為通訊作者,共同第一作者為陜西科技大學碩士研究生齊佳樂高昆。感謝國家自然科學基金(No.22108164No.22178206),陜西省自然科學基金(2021JQ-542),陜西省高層次人才項目等對本工作的大力支持!


  文章鏈接:Chemical vapor deposition strategy for inserting atomic FeN4 sites into 3D porous honeycomb carbon aerogels as oxygen reduction reaction catalysts in high-performance Zn-air batteries.

  https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142719

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