負載Co3O4納米顆粒的N摻雜電紡碳納米纖維作為鋅-空氣可充電電池的高效雙功能氧電催化劑

DOI: 10.1039/c9qi01020c

由非貴金屬氧化物和N摻雜的碳材料組成的復合材料由于其兩種成分的協同作用，是用于鋅-空氣電池（ZABs）的潛在雙功能催化劑。本文中，設計并合成了負載在N摻雜電紡碳納米纖維（CNFs）上的Co₃O₄納米顆粒，該納米纖維對ORR/OER具有優異的雙功能活性，并且在堿性電解質中具有出色的電催化穩定性。另外，與使用Pt/C和IrO₂的貴金屬催化劑相比，雜化電催化劑進一步促進了可再充電鋅-空氣電池的低超電勢、高效率和延長的循環壽命。如此出色的雙功能催化活性歸因于增強的電荷轉移能力、豐富的暴露催化活性位點以及Co₃O₄納米顆粒和CNFs之間的協同效應。這項工作將為非貴金屬和碳雜化材料的設計提供便捷的途徑，這些材料可用作大規模可再生能源轉換設備的高效電催化劑。

圖1 Co₃O₄/N-ACCNF的制備工藝及生長機理

圖2（a）Co₃O₄/N-ACCNF、（b）Co₃O₄/N-CNF、（c）Co₃O₄的掃描電鏡（d）Co₃O₄/N-ACCNF的透射電鏡和高分辨透射電鏡（d1、d2和d3是從d中選擇的區域）。（e）Co₃O₄/N-ACCNF雜化的元素映射。

圖3合成的Co₃O₄/N-ACCNF、Co₃O₄/N-CNF和Co₃O₄的XRD圖譜。

圖4（a）Co₃O₄/N-ACCNF的去卷積XPS全掃描光譜，（b）Co 2p，（c）O 1s和（d）N 1s。

圖5（a）所制樣品和市售Pt/C在0.1 M KOH電解質中的CV和（b）LSV曲線。虛線和實線分別表示N₂-飽和以及O₂-飽和的電解質。（c）Co₃O₄/ N-ACCNF和Pt/C的K-L曲線。（d）在不同電勢下，Co₃O₄/N-ACCNF表面的HO₂^-百分比和電子轉移數。（e）從（b）中的伏安圖得出的Tafel曲線。（f）Co₃O₄/N-ACCNF和Pt/C在0.65 V時的計時安培響應。

圖6（a）Co₃O₄/N-ACCNF、Co₃O₄/N-CNF、Co₃O₄和IrO₂的OER極化曲線。（b）Tafel 曲線。（c）雙層電容測量，以確定電化學活性區域（ECSAs）。（d）擬合的EIS曲線。插圖顯示了用于擬合實驗數據的等效電路（R_s是電解質電阻，CPE是雙層電容，R_ct是電荷轉移電阻）。（e）在10 mA cm^-2的恒電流響應。插圖顯示了1000次循環之前和之后的極化曲線。（f）穩定性測試后的SEM圖像。

圖7（a）基于Co₃O₄/N-ACCNF和基于Pt/C&IrO₂的鋅-空氣電池的開路圖。（b）放電和充電極化（V-j）曲線。（c）含Co₃O₄/N-ACCNF和Pt/C&IrO₂的可充電鋅-空氣電池的V-i放電極化和相應的功率密度。（d）基于Co₃O₄/N-ACCNF和Pt/C&IrO₂的鋅-空氣電池循環性能。