天津大学 Jing Yang课题组--富含吡啶-氮-钴活性中心的三维层状大孔/介孔石墨烯骨架作为可充电式锌空气电池的高效可逆的电催化剂

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用于可逆氧还原反应和析氧反应（ORR和OER）的高效且价格合理的电催化剂在可充电金属-空气电池中备受追捧。然而，构建高性能的既具有大量可用的活性位点，又具有优异的ORR/OER电催化活性的催化剂是一个挑战。我们报告了一种三维分层多孔石墨烯框架的设计和制备，该框架具有相互连接的层间大孔和平面中孔，富含吡啶-氮-钴（pyri-N-Co）活性中心，即：CoFe/3D-NLG。pyri-N-Co键能显著加快缓慢的氧电催化动力学，进而大大提高了每个活性位点的ORR/OER活性，而丰富的层间大孔和面内介孔能够在整个石墨烯体系结构中实现高效的传质，从而确保试剂能够充分暴露在pyri-N-Co活性位点。这种坚固的催化剂结构使CoFe/3D-NLG具有显著增强的可逆氧电催化性能，其ORR半波电位与基准Pt/C催化剂相同。并且OER活性远远超过贵金属基RuO₂催化剂。此外，CoFe/3D-NLG用作可充电锌空气电池的空气电极时，表现出极高的开路电压（1.56 V）、高峰值功率密度（213 mW cm^–2）、超低的充放电电压（0.63 V），优异的充放电循环稳定性，优于最先进的贵金属电催化剂。

Figure 1. (a) CoFe/3D‐NLG催化剂的合成示意图。(b) 3D‐NLG的SEM图。(c) CoFe/3D‐NLG的TEM图，插图为对应的SAED图。CoFe/3D-NLG石墨烯片上，（d）纳米颗粒的HR‐TEM图和（e）平面内介孔的TEM图像，如c中的黄色圆圈所示。(f) 孔隙大小分布，(g) N₂吸附-解吸附等温曲线。(h) CoFe/NG、CoFe/NLG、CoFe/3D‐NG和CoFe/3D‐NLG的拉曼图谱

Figure 2. (a) CoFe/NG和CoFe/3D‐NLG的N K‐edge EELS图。CoFe/3D‐NLG、CoFe/NG和3D‐NLG的 (b) N 1s XPS图，(c) Co 2p XPS图和(d) Co L‐edge EELS 图。(e) CoFe, CoFe/NG和CoFe/3D‐NLG的拉曼图谱。(f) NG、3D‐NLG和CoFe/3D‐NLG的拉曼图

Figure 3. (a) OER曲线，(b) Tafel图，(c) CoFe/NG、CoFe/NLG、CoFe/3D‐NG、CoFe/3D‐NLG和RuO₂的Nyquist阻抗图，插图为用于计算催化过程中电荷转移的等效电路图，R_s电解质阻抗，R_ct电荷转移阻抗，C_dl代表双电层电容。(d) 样品在不同扫描速率下的充电电流密度图。(e) 不同样品的ECSA和OER 活性比较。(f) CoFe/3D‐NLG和RuO₂的it曲线。

相关研究成果于2021年由天津大学 Jing Yang 课题组，发表在Chinese Journal of Catalysis（doi：10.1016/S1872-2067(20)63642-7）上，原文：3D hierarchically macro-/mesoporous graphene frameworks enriched with pyridinic-nitrogen-cobalt active sites as efficient reversible oxygen electrocatalysts for rechargeable zinc-air batteries。

转自《石墨烯杂志》公众号



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