探索和開發(fā)低成本、超長壽命、高性能的氧還原反應(yīng)非貴金屬催化劑(ORR)以取代鉑基催化劑用于電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換裝置仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。盡管有幾種非貴金屬催化劑(N摻雜石墨烯、過渡金屬納米粒子、單原子金屬-氮-碳等)。雖然與商用鉑碳相比，它們的催化性能可以媲美現(xiàn)有催化劑，但它們的長期耐用性，特別是在苛刻的電解液中的耐久性，在實際應(yīng)用中仍然不能令人滿意。

來自湖南大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)和劍橋大學(xué)的學(xué)者合成了一種的Fe3C-NG催化劑，并對其進(jìn)行了研究，以了解其在鋅空氣電池中的催化降解行為。實驗分析和理論計算表明，由于Fe3C量子點提供了快速的電子轉(zhuǎn)移到NG的價帶，由Fe3C量子點和N摻雜石墨烯碳(Fe3C-NG)形成的Mott-Schottky異質(zhì)結(jié)提高了ORR。分子動力學(xué)模擬表明，在腐蝕性極強(qiáng)的電解液中，NG中的石墨烯結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，避免了Fe3C量子點的腐蝕。將鋅/石墨烯復(fù)合薄膜與固體電解液相結(jié)合，優(yōu)化后的含F(xiàn)e3C-NG催化劑的鋅-空氣電池具有高開路電壓1.506 V，高能量密度706.4 Wh kg-1,以及長達(dá)1000h的長期穩(wěn)定性。相關(guān)文章以“Non-Noble-Metal Catalyst and Zn/Graphene Film for Low-Cost and Ultra-Long-Durability Solid-State Zn-Air Batteries in Harsh Electrolytes”標(biāo)題發(fā)表在Advanced Functional Materials。

論文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202200397

圖 1.Fe3C@N/MCHS和Fe3C-NG Mott-Schottky異質(zhì)結(jié)制備示意圖.

圖2.所制備的Fe3C@N/MCHSS的形態(tài)特征：a)掃描電子顯微鏡圖像；b)電子顯微鏡圖像；c，d)高分辨電子顯微鏡圖像；以及e)典型的電子顯微鏡圖像和相應(yīng)的C、N、O和Fe元素映射；f)C和Fe元素的組合映射圖像；g)亮場和h)暗場電子顯微鏡圖像；i)相應(yīng)的NG和Fe3C的HAADF-STEM圖像。

圖3.a）鎳泡沫上Fe3C@N/MCHSs陰極的制造工藝，b）固態(tài)電解質(zhì)的制備，c）柔性Zn/石墨烯陽極電極的制備。

圖4.a)商用Pt/C、N/MCHSS和Fe3C@N/MCHSS在N2和O2飽和的0.1M KOH中以50 mV/s的掃描速率的CV；b）在O2飽和0.1 M KOH下，在1600 rpm轉(zhuǎn)速下各種電催化劑的LSV；c)在O2飽和的0.1 M KOH中的Fe3C@N/MCHSS在不同的轉(zhuǎn)速下的LSV和(插圖)相應(yīng)的K-L曲線；d)用于甲醇交叉試驗的商用鉑/C和Fe3C@N/MCHSS的計時電流曲線；f)與最先進(jìn)的單一催化劑的比較；g)鋅空氣電池示意圖；h)開路電壓；i)速率性能；j)比容量；k)功率密度和l)具有鉑碳和Fe3C@N/MCHSS催化劑的鋅空氣電池的充放電循環(huán)次數(shù)。

圖 5.Fe3C@NG的莫特-肖特基異質(zhì)結(jié)示意圖：a）接觸前和b）接觸后;c） ORR機(jī)制; d，e）Fe3C@NG模型的電荷分布;f） Fe3C@NG模型上的ORR過程;g）示意圖能量溢出和h）G，NG，F(xiàn)e3C和Fe3C@NG板的不同活性位點上ORR途徑的能量變化;i）在Fe3C@NG上以不同電位下的能量躍升;j）在0.5M H2SO4溶液中Fe3C@NG的分子動力學(xué)（MD）模擬。

綜上所述，本文報道了一種非貴金屬Fe3C-NG催化劑，其催化活性和耐久性可與商用鉑/碳相當(dāng)，用于固態(tài)鋅空氣電池的實用ORR。揭示了Fe3C-NG催化劑中的Mott-Schottky等促進(jìn)了電子轉(zhuǎn)移和電荷密度重分布對催化劑性能的調(diào)節(jié)作用。特別是對于Fe3C-NG異質(zhì)結(jié)，通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計和調(diào)節(jié)，由于莫特-肖特基異質(zhì)結(jié)和電荷密度的重新分布，同時實現(xiàn)了快速的電子轉(zhuǎn)移和低能壘。分子動力學(xué)模擬表明，石墨烯層阻止了Fe3C與H3O+、OH-和H2O之間的接觸，唯一影響降解的是石墨烯層中摻雜的N原子。通過制備鋅/石墨烯復(fù)合薄膜和固態(tài)電解液，進(jìn)一步解決了鋅空氣電池普遍存在的自腐蝕、鋅枝晶、穩(wěn)定性差等問題，優(yōu)化后的Fe3C-NG催化劑鋅空氣電池的開路電壓達(dá)到1.506 V，能量密度達(dá)到706.4 Wh kg-1，長期穩(wěn)定性達(dá)到1000h，向?qū)嶋H應(yīng)用邁進(jìn)了一大步。本文的工作為理解用于ORR的非貴金屬Fe3C-NG異質(zhì)結(jié)構(gòu)催化劑提供了一些新的見解，也為制造低成本、高能量密度、長時間循環(huán)的鋅空氣電池提供了新的途徑。

審核編輯 ：李倩