中國地質大學王歡文&賀貝貝J. Power Sources：FeS2-CoS2/NCFs作為可充電鋅-空氣電池

DOI:10.1016/j.jpowsour.2020.228955

開發可有效驅動析氧反應和氧還原反應的過渡金屬基雙功能電催化劑是實現可充電鋅-空氣電池的迫切需求。過渡金屬硫化物正在逐漸替代貴金屬基電催化劑，但它們的雙功能活性通常受到低電導率和有限電化學活性位點的限制。在此，研究者通過靜電紡絲和原子層沉積法的結合，制備了一種新型金屬有機骨架衍生的氮摻雜碳納米纖維耦合FeS2-CoS2（FeS2-CoS2/NCFs）。得益于分層結構大量暴露的表面活性位點和FeS2-CoS2異質界面中豐富的界面位點，FeS2-CoS2/NCFs復合電催化劑在堿性介質中具有很高的雙功能活性和良好的耐久性。值得注意的是，用該FeS2-CoS2/NCFs電極組裝的液態鋅-空氣電池顯示出257 mW cm-2的峰值功率密度，814 mA h g-1的高比容量和250h的長循環壽命，優于貴金屬基鋅-空氣電池。此外，使用這種FeS2-CoS2/NCFs電極的柔性固態鋅-空氣電池即使在扭曲狀態下也可以穩定地為LED面板供電，從而證明了其在可穿戴和便攜式電化學設備中的實際應用潛力。

圖1.FeS2-CoS2/NCFs樣品的合成過程示意圖。

圖2.（a）Co/NCFs、FeOx-Co/NCFs和FeS2-CoS2/NCFs的X射線衍射圖；（b）初紡Zn0.5Co0.5-ZIFs/PAN、（c）Co/NCFs和（d）FeS2-CoS2/NCFs的SEM形貌；（e）Co/NCFs、CoS2/NCFs和FeS2-CoS2/NCFs樣品的氮氣吸附-解吸等溫線，（f）相應的孔徑分布曲線，以及（g）拉曼光譜。

圖3.（a）和（b）FeS2-CoS2/NCFs的TEM圖像，（c）和（d）高倍率TEM圖像；（e）FeS2-CoS2/NCFs在相對掃描區域的元素映射，（f）EDS光譜。

圖4.FeS2-CoS2/NCFs樣品（a）C 1s、（b）N 1s和（c）S 2p的XPS光譜；（d）CoS2/NCFs和FeS2-CoS2/NCFs樣品（d）Co 2p和（e）Fe 2p的XPS光譜比較；（f）CoS2/NCFs和FeS2-CoS2/NCFs的EPR光譜。

圖5.（a）在氧氣飽和的0.1M KOH中，轉速為1600rpm，Co/NCFs、CoS2/NCFs、FeS2/NCFs、FeS2-CoS2/NCFs和20％Pt/C進行ORR的LSV曲線。（b）極限電流密度和半波電勢。（c）相應的Tafel圖。（d）電子轉移數和過氧化物產率（HO2-％）。（e）不同轉速下FeS2-CoS2/NCFs的LSV曲線，插圖是在不同電勢下的Koutecky-Levich（K-L）圖。（f）FeS2-CoS2/NCFs初始和第1000次循環的ORR極化曲線。

圖6.（a）Co/NCFs、CoS2/NCFs、FeS2/NCFs、FeS2-CoS2/NCFs和IrO2電催化劑在0.1M KOH溶液中以1600rpm的LSV曲線。（b）Tafel圖。（c）EIS奈奎斯特曲線。（d）雙層電容。（e）在初始和第1000次循環中，FeS2-CoS2/NCFs的OER極化圖。（f）ORR和OER的LSV總體曲線，插圖顯示了ORR的E1/2與OER的Ej=10之間的電壓差（ΔE）。

圖7.（a）組裝有FeS2-CoS2/NCFs基陰極的ZABs的開路電壓曲線，插圖為60小時后組裝的ZABs的照片。（b）使用FeS2-CoS2/NCFs和Pt/C+IrO2陰極的ZABs的充放電極化曲線和相應的功率密度圖。（c）在不同外加電流密度下ZABs的放電曲線。（d）在5 mA cm-2和10 mA cm-2下的恒電流長期放電比容量曲線。（e）在10 mA cm-2下，組裝有FeS2-CoS2/NCFs和Pt/C+IrO2陰極的ZABs的恒電流循環曲線。

圖8.（a）由四個串聯柔性ZABs點亮LED的照片和示意圖；（b）柔性ZAB在30小時內的開路電壓曲線。（c）組裝有FeS2-CoS2/NCFs陰極的ZAB的充放電極化曲線和相應的功率密度圖。（d）在不同電流密度下的倍率性能。（e）柔性ZABs在每10個循環彎曲30°、60°、90°和120°時的恒電流長期循環曲線。