材料学院在国际顶级能源催化期刊《Applied Catalysis B: Environmental》发表最新研究成果

发布时间:2020-05-12作者:李海明出处:材料科学与工程学院供稿审核人:刘永德责任编辑:娄 峰浏览次数:22

近日,齐鲁工业大学材料科学与工程学院教师李光达与该院青年泰山学者孟宪赓教授、山东大学化学与化工学院徐立强教授合作,在国际顶级能源催化类期刊《AppliedCatalysis B: Environmental》(中科院一区TOP,IF=14.229)发表题为“Co4N nanoparticlesencapsulated in N-doped carbon box as tri-functional catalyst for Zn-airbattery and overall water splitting”的最新研究成果。齐鲁工业大学(山东省科学院)为该工作的第一完成单位,材料学院研究生葛怀云为该论文第一作者。



锌空气电池具有能量密度高,原料丰富无污染,可再生利用,安全性能高等优点,是当今绿色储能电池的重要研究方向之一。由二次锌空气电池的反应原理可知,氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)是二次锌空气电池以及燃料电池实现能源转化的重要反应过程。但是,该反应路径较复杂,中间体生成较多,反应活化能较高,本征动力学速率缓慢,成为制约二次锌空气电池性能的关键因素。传统的Pt/C、Ir/C、RuO2等贵金属催化剂具有良好的ORR/OER催化活性,但成本高昂、储量稀缺,且在工作环境中易发生毒化现象,从而使其规模化应用受到限制,因此发展高性能(兼具高活性和高稳定性)、低成本的双功能电催化剂是推动二次锌空气电池发展的重要方向之一。


该工作以ZIF-67为前驱体,首先将Co纳米颗粒分散到N掺杂C壳中获得了Co/NC材料,进一步通过氮化处理将Co颗粒转化为Co4N,从而大幅度提升了材料的ORR和OER活性。在碱性条件下材料的ORR半波电位为0.84 V高于贵金属Pt/C(0.83 V),在10 mA/cm-2电流密度处OER过电位仅290 mV。密度泛函理论(DFT)计算发现,N在Co晶体中的掺杂大大降低了催化过程速控步的过电位。以该材料为催化剂组装的二次锌空气电池在5 mA/cm-2电流密度下,可稳定循环750 h以上。以此组装的柔性二次锌空气电池同样表现出优异性能,可在任意弯折角度下稳定充放电,其性能远优于商业化Pt/C催化剂。


该工作获得国家自然科学基金项目(11774188)、山东省自然科学基金项目(ZR2018QB003)、山东省高等学校优秀青年创新团队项目(2019KJA006)和山东省高等学校优势学科人才团队培育项目(03010304)支持。