非贵金属材料被认为是用于氧还原反应（ORR）的最有希望的催化剂，可以克服Pt基催化剂固有的缺陷，例如成本高、可获得性有限和稳定性不足。在这里，我们通过一种简便且可扩展的策略来制造类似三明治的Co封装的氮掺杂碳多面体/石墨烯（s-Co@NCP/rGO），即通过分别在聚氨酯（PU）海绵模板上加载Co基沸石咪唑酸酯骨架（ZIF-67）和氧化石墨烯（GO）层。3D夹层结构在海绵模板的帮助下得以保持，从而促进了ZIF-67衍生的Co嵌入的氮掺杂碳多面体（Co@NCP）的均匀分散，并防止了石墨烯板在退火过程中发生团聚。最终产品对ORR具有相当大的催化性能，半波电势为0.85 V，与20 wt％的Pt/C相比，具有更好的稳定性和更高的中毒耐受性，这是由3D三明治状结构N/Co-掺杂效应、较大的可及表面积和分层多孔结构决定的。催化剂出色的ORR性能意味着它们可以在Zn-空气电池中用作阴极催化剂。在这样的演示中，s-Co@NCP/rGO表现出1.466 V的高开路电压、出色的长期耐用性以及186 mV/cm²的出色峰值功率密度，这显示了其作为潜在替代品的巨大潜力。在非贵金属ORR催化剂领域中的广泛实际应用。
 
Figure 1. s-Co@NCP/rGO催化剂的合成示意图。
 

Figure 2. （a）s-Co@NCP/rGO前体、（b）s-Co@NCP/rGO-800、（c）聚氨酯海绵模板、（d）s-Co@NCP/rGO前体中的ZIF-67和（e）s-Co@NCP/rGO-800中ZIF-67衍生的碳材料的SEM图像。s-Co@NCP/rGO-800中ZIF-67衍生的碳材料的（f）TEM和（g）HRTEM图像。（h）带有元素映射的s-Co@NCP/rGO-800的STEM。（i）s-Co@NCP/rGO-800的结构图。
 

Figure 3. （a）s-Co@NCP/rGO-800的CV曲线。（b）不同样品的SCV曲线。（c）比较不同催化剂的半波电势和J_k@0.83V。（d）s-Co@NCP/rGO-800在不同转速下的SCV曲线，以及（e）在不同电势下的对应K-L图。（f）使用RRDE数据计算的ORR过程中过氧化氢的产率和s-Co@NCP/rGO-800和Pt/C的电子转移数。（g）s-Co@NCP/rGO-800和Pt/C催化剂的计时安培响应。（h）通过记录5000次循环后的SCV曲线，对s-Co@NCP/rGO-800进行长期耐久性测试。（i）在计时电流法测量过程中，在400s时将甲醇添加到KOH电解液中，进行甲醇耐受性测试。
 

Figure 4. （a）锌空气电池的示意图。（b）用万用表测得的s-Co@NCP/rGO-800锌空气电池的开路电压为1.466V。（c）使用两个s-Co@NCP/rGO-800串联的锌空气电池点亮LED的照片。（d）使用不同催化剂的锌空气电池的放电极化和相应的功率密度曲线。（e）使用不同催化剂的锌空气电池的比容量。（f）s-Co@NCP/rGO-800和基于Pt/C的Zn-空气电池的恒电流放电测试。
 
      相关研究成果于2020年由哈尔滨工业大学Lei Zhao、Xu-Lei Sui和Zhen-Bo Wang课题组，发表在Nanoscale（DOI: 10.1039/c9nr09020g）上。原文：A sponge-templated sandwich-like cobaltembedded nitrogen-doped carbon polyhedron/graphene composite as a highly efficient catalyst for Zn–air batteries。

摘自《石墨烯杂志》公众号：