引言

鋅空氣電池由于其能量密度高和安全性成為了最具前景的金屬空氣電池技術(shù)之一。一方面，鋅含量豐富，相對(duì)于鋰來(lái)說(shuō)成本更低且可再生潛力更高。另一方面：由于Zn金屬負(fù)極具有較高氧化還原電位，從而使得其能夠在水系電解液中運(yùn)行。鋅負(fù)極可在接近中性或弱酸性的電解質(zhì)（pH值為3.6–6.0）的條件下實(shí)現(xiàn)可逆的Zn沉積/剝離，其循環(huán)壽命長(zhǎng)。 此外，Zn電化學(xué)反應(yīng)涉及兩個(gè)電子，導(dǎo)致其具有較高的體積能密度。然而，鋅-空氣電池的大規(guī)模應(yīng)用受到空氣電極中氧還原反應(yīng)(ORR)和氧釋放反應(yīng)(OER)動(dòng)力學(xué)緩慢的限制。因此，需要開發(fā)具有高效性能的雙功能電催化劑。鉑(Pt)已被視為ORR電催化劑的基準(zhǔn)，已廣泛用于可再生能源設(shè)備中。然而，其成本高、OER活性低和其耐久性差阻礙其單獨(dú)用于雙功能電催化劑。將Pt與另一種具有高OER活性的低成本材料相結(jié)合被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)高性能雙功能電催化劑的有吸引力的策略。

成果簡(jiǎn)介

近日，南京工業(yè)大學(xué)邵宗平教授和周嵬教授（共同通訊作者）通過(guò)固相反應(yīng)路線合成了Fe摻雜的SrCo0.95P0.05O3?δ鈣鈦礦類似物，記為Sr(Co0.8Fe0.2)0.95P0.05O3-δ (SCFP)。然后，使用簡(jiǎn)單的球磨方法將SCFP與20 wt％的Pt/C (20Pt/C)商業(yè)材料和Super P Li添加劑均勻混合。所得的復(fù)合材料表示為Pt-SCFP/C-ab，ab表示Pt (a)與SCFP (b)的質(zhì)量比。Pt-SCFP/C-12顯示出優(yōu)異的雙功能催化活性，其OER性能優(yōu)于IrO2催化劑，ORR性能接近Pt/C樣品。基于Pt-SCFP/C-12催化劑的Zn-空氣電池具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。同時(shí)，電池在214 mA cm-2時(shí)還具有122 mW cm-2的高峰值功率密度，在5 mA cm-2的電流密度下時(shí)具有790.4 mAh g-1的高比容量。出色的電化學(xué)性能可以歸因于電子在Pt-O-Co的快速轉(zhuǎn)移，Pt和SCFP之間的協(xié)同效應(yīng)以及大量的氧空位。這項(xiàng)工作不僅為鋅空氣電池提供了一系列低成本，高活性的電化學(xué)催化劑，而且為鋅空氣電池的實(shí)際應(yīng)用提供了一種簡(jiǎn)便而有效的方法。相關(guān)研究成果“High-Performance Platinum-Perovskite Composite Bifunctional Oxygen Electrocatalyst for Rechargeable Zn–Air Battery”為題發(fā)表在Advanced Energy Materials上。

圖文導(dǎo)讀

圖一 催化劑的物相表征和成分表征

（a）SCFP，20Pt/C和Pt-SCFP/C-12復(fù)合催化劑的XRD譜圖和XPS光譜。

（c-e）Pt-SCFP/C-12的HRTEM圖像和相應(yīng)的元素映射。

圖二 催化劑的電催化性能表征

（a，b）SCFP，20Pt/C和Pt-SCFP/C-12 ORR和OER測(cè)試的LSV曲線。

（c）SCFP，20Pt/C和Pt-SCFP/C-12的ORR K-L圖。

（d）SCFP，20Pt/C和Pt-SCFP/C-12的電勢(shì)差比較。

（e，f）SCFP，20Pt/C和Pt-SCFP/C-ab復(fù)合材料的ORR以及SCFP，20Pt/C，IrO2和Pt-SCFP/C-ab的Tafel圖。

（g，h）催化劑的穩(wěn)定性對(duì)比。

（i）與其他工作的對(duì)比。

圖三 基于Pt-SCFP/C-12 催化劑的鋅空電池電化學(xué)性能表征

（a）串聯(lián)三個(gè)基于Pt-SCFP/C-12的Zn-空氣電池的開路電壓

（b）基于Pt-SCFP/C-12的鋅空氣電池為L(zhǎng)ED屏幕供電。

（c）鋅空氣電池的極化圖和相應(yīng)的功率密度曲線。

（d）恒電流放電曲線。

（e）基于Pt-SCFP/C-12或1：1 20Pt/C + IrO2混合物的Zn-空氣電池在5 mA cm-2放電的電壓-時(shí)間曲線。

圖四 催化劑的機(jī)理表征

（a）Pt-SCFP/C-12和SCFP的O 1s XPS光譜。

（b）SCFP和Pt-SCFP/C-12的XANES Co和Fe K邊緣譜。

（c）20Pt/C和Pt-SCFP/C-12的Pt 4f XPS光譜。

（d）Pt-SCFP/C-12的Pt L-edge和Co K-edge EXAFS的R空間光譜。

（e）用于ORR和OER的Pt-SCFP/C-ab復(fù)合材料中電子相互作用和溢出效應(yīng)的示意圖。

圖五 第一性原理計(jì)算

（a）在堿性溶液里OER和ORR的LSV曲線

（c）Pt-SCFP/C-12，SCFP和20SCFP/C樣品的Co 2p XPS光譜。

（d）Pt-SCFP/C-12催化劑在0.1 m KOH的ADT中進(jìn)行1個(gè)循環(huán)和1000個(gè)循環(huán)的CV曲線。

小結(jié)

總之，在這項(xiàng)工作中，通過(guò)簡(jiǎn)便的球磨方法合成了一系列基于鈣鈦礦氧化物SCFP和貴金屬20Pt/C的Pt-SCFP/C-ab復(fù)合材料。然后，通過(guò)XRD，STEM和元素映射確定了Pt-SCFP/C-12復(fù)合物中Pt和SCFP相的共存及其在碳表面上的均勻分布。Pt-SCFP/C-ab復(fù)合材料顯示出卓越的ORR和OER性能，最佳的Pt-SCFP/C-12樣品具有出色的雙功能催化性能和耐用性，優(yōu)于IrO2催化劑的OER性能，ORR接近20 Pt/C的樣品。出色的電化學(xué)活性可歸因于通過(guò)Pt-O-Co鍵的快速電子轉(zhuǎn)移，能壘的降低和活性位點(diǎn)的增加和表面氧空位。此外，配備Pt-SCFP/C-12的電池還具有出色的充放電循環(huán)穩(wěn)定性，可維持80 h（240個(gè)循環(huán)）。這種可以對(duì)貴金屬催化劑進(jìn)行替代以降低應(yīng)用成本并同時(shí)提高電化學(xué)性能，其在金屬-空氣電池和其他設(shè)備中的經(jīng)濟(jì)應(yīng)用潛力是非常巨大的。

文獻(xiàn)鏈接：“High-Performance Platinum-Perovskite Composite Bifunctional Oxygen Electrocatalyst for Rechargeable Zn–Air Battery”(Adv. Energy Mater.2019.DOI: 10.1002/aenm.201903271)

通訊作者簡(jiǎn)介

周嵬，南京工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授，博士生導(dǎo)師。海外高層次人才引進(jìn)計(jì)劃青年學(xué)者，江蘇省杰出青年基金獲得者、江蘇省特聘教授、江蘇省“雙創(chuàng)人才”、江蘇省“雙創(chuàng)團(tuán)隊(duì)”領(lǐng)軍人才。已在Nature Energy、Nature Communications 、Science Advances、Advanced Materials等國(guó)際期刊發(fā)表SCI論文250余篇；論文總共被引用9700余次，h-index=56。主要從事燃料電池、電催化、水處理等領(lǐng)域的研究。

邵宗平，南京工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授，博士生導(dǎo)師?！皣?guó)家百千萬(wàn)人才工程”有突出貢獻(xiàn)的青年專家、長(zhǎng)江學(xué)者、國(guó)家杰青、萬(wàn)人計(jì)劃。已在Nature、Nature Energy、Nature Communications、Science Advances等國(guó)際期刊發(fā)表SCI論文600余篇；論文總共被引用28700余次，h-index=80。主要從事燃料電池、太陽(yáng)能電池、光催化、電催化、鋰/鈉離子電池、水處理等領(lǐng)域的研究。

本文由微觀世界編譯供稿。