一種簡單制備磁性過渡金屬-多孔碳納米纖維催化材料的方法

鋅空電池作為一種清潔能源，由于其高能量密度和高安全性，在可持續(xù)能源存儲領域展現(xiàn)出了廣闊的發(fā)展前景。然而，鋅空電池面臨著穩(wěn)定性差和功率密低等問題，這些問題與空氣陰極催化反應密切相關。傳統(tǒng)貴金屬催化劑具有優(yōu)異的電催化活性，但是，高成本和差穩(wěn)定性限制了其規(guī)?；瘧?，因此，進一步開發(fā)優(yōu)異催化活性和穩(wěn)定性的非貴金屬催化劑成為重要挑戰(zhàn)。過渡金屬-多孔碳納米纖維材料孔隙和電子結構豐富，成本低、結構可調(diào)，催化活性位點多，在取代貴金屬催化劑方面顯示出巨大的應用前景。然而，多孔碳納米纖維合成復雜，過渡金屬易團聚，這使得其催化活性的進一步提升存在困難。

針對上述問題，東華大學紡織科技創(chuàng)新中心俞建勇院士、丁彬研究員和閆建華研究員提出了一種原位靜電紡絲技術，直接將金屬鈷納米點(CoNPs )原位摻雜到大孔碳納米纖維中，制備出了高孔隙率（90%）的磁性催化劑，并創(chuàng)新性地提出了一種“磁性增強”策略，利用磁性催化劑的特性，通過一個中等的(350mT)外加磁場進行催化活性增強。相關成果“Direct Magnetic Reinforcement of Electrocatalytic ORR/OER with Electromagnetic Induction of Magnetic Catalysts”為題，于2020年12月在線發(fā)表于國際著名期刊Advanced Materials，該論文共同通訊作者為閆建華研究員和丁彬研究員。

圖1是該磁性催化劑的制備及其催化增強機理展示圖。外加磁場作用下，磁性Co NPs首先被磁化成納米磁體，在大孔周圍形成各向同性的磁疇，促進電解質(zhì)和O2的擴散，增加了對氧中間體的吸附。此外，碳納米纖維的多孔結構在內(nèi)部空間形成磁漩渦，促進部分Co電子從低自旋向高自旋的轉變，在其3d軌道上產(chǎn)生了更多的未成對電子。同時，Co NPs自旋磁矩的增加，能夠降低電子轉移活化能勢壘，從而在析氧還原反應中提供了一個更有效的四電子轉移過程，提高了氧催化活性。

圖1. 磁性碳納米纖維催化劑（MCN）的合成方法及氧催化活性的磁增強機理。(a)溶膠-凝膠電紡絲和熱解法制備柔性MCN示意圖；(b)在ORR和OER中實現(xiàn)磁增強的說明；(c) Co從低自旋到高自旋的電子躍遷；(d)產(chǎn)氧和還原反應中的四電子轉移過程。 圖2展示了外加磁場對鋅空電池中ORR/OER的增強結果。在外加磁場作用下， MCN的ORR的半波電位增加了20 mV，OER反應在10 mA/cm2的過電位也降低了15 mV。更重要的是， MCN催化劑可直接作為雙功能催化劑，應用于鋅-空氣電池，與商業(yè)上的Pt/C+IrO2催化劑相比，其容量提高了2.5倍，充放電壽命超過155小時。

圖2. MCN在磁場作用下的催化結果和電池展示。(a-b) 在施加和無施加外部磁場時，MCN電極ORR和OER測試的LSV曲線；(c) 基于MCN和Pt/C +IrO2的鋅空電池放電極化曲線和功率密度；(d)基于MCN和Pt/C + IrO2的鋅空電池在2 mA/cm2時的長期循環(huán)性能 (e)電池展示

總結

作者成功地開發(fā)了一種簡單制備磁性過渡金屬-多孔碳納米纖維催化材料的方法，并創(chuàng)新性地提出了一種“磁性增強”策略，實現(xiàn)了可充放鋅空電池直接磁性增強，為外加磁場的磁性極化增強在能源存儲和轉化領域的實施打開了更為有趣的可能，也對其進一步發(fā)展具有重要指導意義。

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