三峽大學孫小華&孫盼盼Appl. Surf. Sci.：Co納米顆粒錨定N摻雜碳的制備及其在可充電

DOI:10.1016/j.apsusc.2020.148700

在本研究中，采用ZnCl2溶液對聚吡咯（PPy）納米纖維進行簡單的表面處理，以通過氣體傳輸的方法來制備金屬Co錨定N摻雜碳（稱為Co/N-CZn）。結構表征表明，通過這種表面處理，Co/N-CZn的內在結構在形態、孔結構和缺陷方面得到了極大的調整，從而導致金屬Co的負載量增加，比表面積增大以及作為有效活性位點的吡啶氮和Co-N物種增多。受益于結構調制，Co/N-CZn表現出優異的ORR活性和動力學特性，其正半波電位為0.88V（相對于RHE），在0.85V（相對于RHE）下的高動態電流密度（Jk）值為36.6 mA cm-2，低Tafel斜率為55.9 mV dec-1，甚至優于商用Pt/C。此外，Co/N-CZn的OER性能也得到了改善，在10 mA cm-2下的過電位為280mV，超過了商業RuO2（295mV）。綜上，Co/N-CZn有望取代商用Pt/C和RuO2，以驅動液態和固態可再充電鋅空氣電池，其峰值功率密度分別為196 mW cm-2和130 mW cm-2。

圖1.a）Co/N-CZn的制備過程示意圖。b）Co/N-C和Co/N-CZn的XRD圖，c）拉曼光譜和d）熱重曲線。

圖2.a）Co/N-C的TEM圖像和b）HRTEM圖像。c）Co/N-CZn的TEM圖像和d）HRTEM圖像。e）Co/N-CZn的元素映射。

圖3.a）Co/N-C和Co/N-CZn的N2吸附-解吸等溫線。b）Co/N-C和Co/N-CZn的高分辨率N1s光譜。c）Co/N-C和Co/N-CZn中不同N種類的含量以及N-CZn基體結構轉變的示意圖。d）Co/N-CZn的高分辨率Co2p光譜。

圖4.在O2飽和的0.1M KOH中測試的ORR性能：a）CV曲線，b）LSV曲線（轉速：1600rpm，插圖顯示了在0.85V（相對于RHE）下不同催化劑的Eonset、E1/2和Jk之間的比較）c）Tafel圖，d）在不同轉速下的LSV曲線（插圖顯示了相應的K-L圖），e）電子傳遞數和H2O2產率與電勢之間的關系，f）Co/N-C、Co/N-CZn和商用Pt/C的計時安培響應（在0.5V（相對于RHE）下轉速為1600rpm）。

圖5.在O2飽和的1M KOH中測試的OER性能：a）Co/N-C、Co/N-CZn和商用RuO2的LSV曲線和b）奈奎斯特圖（電勢：1.62V（相對于RHE），頻率范圍：100kHz-0.1Hz）。插圖顯示了CV擬合曲線以給出Co/N-C和Co/N-CZn的Cdl值。c）在1.61V（相對于RHE）下測得的計時電流響應。d）Co/N-C和Co/N-CZn的整體LSV曲線，在0.1M KOH中以1600rpm的轉速測量。

圖6.使用Co/N-CZn作為空氣電極的液態鋅空氣電池性能。a）放電極化曲線和相應的功率密度圖。b）在50 mA cm-2的電流密度下測試的放電曲線（插圖顯示了一個由兩個串聯鋅空氣電池供電的LED）。c）充放電極化曲線。d，e）在電流密度為10 mA cm-2時的循環性能。

圖7.使用Co/N-CZn作為空氣電極的固態鋅空氣電池性能。a）放電極化曲線和相應的功率密度圖。b）在2 mA cm-2的電流密度下的循環性能，以商用Pt/C+RuO2作為參考。