中国农大新闻网讯 近日，中国农大理学院罗炳程教授等人在研究非贵金属催化剂和锌/石墨烯薄膜材料的结构、性能和反应机理方面取得重要进展，在国际顶级期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)上发表题为《用于苛刻电解质中低成本和超长耐久性固态锌空电池的非贵金属催化剂和锌/石墨烯薄膜》（“Non-Noble-Metal Catalyst and Zn/Graphene Film for Low-Cost and Ultra-Long Durability Solid-State Zn-Air Batteries in Harsh Electrolytes”）的研究论文。
Fe3C@N/MCHSs复合材料的制备和Fe3C-NG Mott-Schottky异质结示意图
传统化石能源的大量开采和利用带来了诸多环境问题，包括造成二氧化碳等温室气体排放量急剧增加。因此，实现“碳达峰”与“碳中和”战略目标，需要调整能源结构，发展新型清洁能源，提高能源存储利用率，这就使得新一代电化学能源储存转换装置的开发愈发急迫。在新兴的能源储存转换装置中，二次锌空气电池因其理论比能量密度高、成本低、安全性高等优点而受到广泛关注。但由于在锌空气电池正极的氧还原反应（ORR）的反应动力学缓慢、反应途径复杂，从而降低了锌空气电池的能量转换效率。因此，为服务于国家“双碳”战略目标，需要研发低成本、超长耐久性和高催化活性的ORR非贵金属催化剂以取代贵金属铂基催化剂，并揭示反应机理，推进锌空气电池的商业化发展。
该工作通过原位聚合法制备了一种非贵金属催化剂（Fe3C@N/MCHSs），其表现出优异的ORR催化活性和耐久性，且在液/固态锌-空气电池器件中均表现出十分出色的性能。
在液态锌-空气电池中，该催化剂在开路电压、倍率性能、放电比容量、功率密度和充放电特性方面均优于商业Pt/C催化剂。结合锌/石墨烯复合膜和固态电解质，该催化剂在固态锌-空气电池中具有1.506V的高开路电压、706.4WhKg-1的高能量密度和1000小时的长期稳定性，这推进了锌空气电池向实际应用方向迈出了一大步。
(a) Fe3C@N/MCHSs泡沫镍阴极的制备工艺；(b) 固态电解质的制备；(c)柔性Zn/石墨烯阳极电极的制备
在机理方面，实验表征和理论计算均表明，电子在Fe3C量子点与氮掺杂碳形成的莫特-肖特基（Mott-Schottky）异质结界面上的重新分布可以促进电子转移速率，降低能量势垒，从而提高催化剂对ORR的本征催化活性。高比表面积和多孔结构能够提高活性位点的利用率，NG中的石墨烯结构可以有效保护Fe3C量子点免受极具腐蚀性的酸和碱性电解质的影响。
Fe3C@N/MCHSs催化剂电子结构表征及理论计算
分子动力学模拟表明，石墨烯层阻止了Fe3C与H3O+、OH-和H2O的接触，避免了催化剂的腐蚀和降解。通过制备锌/石墨烯复合膜和固态电解质，进一步解决了锌空气电池的自腐蚀、锌枝晶、稳定性差等常见问题。该工作为理解非贵金属Fe3C-NG异质结构催化剂催化ORR提供了一些新的见解，并为制造低成本、高能量密度和长期循环稳定的锌空气电池的提供了新的方法。
剑桥大学李焕新博士后、中国农业大学罗炳程教授、湖南大学周海晖教授和黄中原副教授为论文通讯作者，参加单位包括中国农业大学、湖南大学和剑桥大学。该成果得到中央高校基本科研业务费专项资金资助(15052001)、以及中国农业大学校级高性能计算平台支持。
罗炳程教授近年来在新材料理论预测与合成、介电铁电陶瓷及复合材料、柔性电子材料与能源存储器件等方面取得了一系列成果，在美国国家科学院院刊（PNAS）、先进功能材料(Adv. Funct. Mater)、材料化学杂志A（J. Mater. Chem. A）、碳（Carbon）等期刊发表高水平论文50余篇，其中第一作者或通讯作者论文30篇，已授权2项国家发明专利。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202200397
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