磷摻雜鎳鐵氮碳材料的制備及其鋅空氣電池應(yīng)用研究

背景介紹在對化石燃料使用日益增長的今天，能源需求和環(huán)境問題迫使現(xiàn)代社會(huì)對經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)和生態(tài)友好的能源技術(shù)進(jìn)行全方位的研究，如燃料電池、金屬-空氣電池等。其中氧氣還原反應(yīng)（ORR）和氧氣析出反應(yīng)（OER）是金屬-空氣電池和其他可再生能源技術(shù)的關(guān)鍵反應(yīng)。兩個(gè)關(guān)鍵反應(yīng)涉及多步質(zhì)子耦合及電子轉(zhuǎn)移過程，該過程動(dòng)力學(xué)遲緩，嚴(yán)重制約了清潔能源利用和技術(shù)的發(fā)展。文章亮點(diǎn)1.本文構(gòu)建了具有高活性中心的磷摻雜二元金屬氮碳材料，具有較高的ORR活性；2.該工作為磷原子摻雜的二元金屬氮碳ORR催化劑的理性設(shè)計(jì)合成提供了一定依據(jù)，進(jìn)一步促進(jìn)了實(shí)際應(yīng)用中電催化材料的發(fā)展。內(nèi)容簡介1

實(shí)驗(yàn)部分1.1

主要儀器與試劑1.2

氮磷雙摻雜鎳鐵基多孔碳材料（P-NiFe-NC）的合成圖1

2-（三苯基膦）溴化鎳結(jié)構(gòu)圖利用簡單的水熱和熱解的方法，在180℃下利用甲酰胺的脫水縮合反應(yīng)以及N原子對過渡金屬的螯合穩(wěn)定作用，采用2-(三苯基膦)溴化鎳作為磷源，在水熱條件下進(jìn)行材料合成及液相磷化。之后通過900℃高溫焙燒完成材料碳化。1.3

電化學(xué)性能測試使用三電極測試系統(tǒng)進(jìn)行電化學(xué)測量，三電極系統(tǒng)中對電極為鉑絲電極，參比電極為飽和甘汞電極（SCE），工作電極為滴涂有不同催化劑樣品的玻碳電極（GCE）電極。1.4

鋅-空氣電池（ZAB）性能測試1.4.1

鋅-空氣電池催化劑層的制備親水性催化劑層按照以下方法制備：將疏水碳紙與模具空氣電極一側(cè)的通氣孔對齊，標(biāo)注1cm×1cm作為催化劑的反應(yīng)面積；將100

μL上述制備的滴涂催化劑的溶液Ink均勻滴涂在空氣電極的反應(yīng)面積之中。1.4.2

鋅-空氣電池的組裝與測試鋅板（尺寸為85×34×0.5mm3）用作鋅-空氣電池陽極。陰極由疏水性氣體擴(kuò)散層（Gas-DiffusionLayer，GDL）和親水性催化劑層組成。2

結(jié)果與討論2.1

磷摻雜鎳鐵氮碳碳材料P-NiFe-NC的表征為證明P-NiFe-NC材料形貌及各元素的分散情況，進(jìn)行了TEM表征以及元素能譜掃描，如圖2所示。a.P-NiFe-NC的TEM圖；b.P-NiFe-NC的HR-TEM圖；c.

P-NiFe-NC的HAADF圖及元素能譜掃描圖；d.

樣品的XRD圖圖2

P-NiFe-NC的表征圖2.2

P-NiFe-NC性能測試2.2.1

P-NiFe-NC電化學(xué)性能測試對在進(jìn)行所有電催化測量之前，由于材料本身存在大量吡咯氮，以及2-（三苯基膦）溴化鎳存在苯環(huán)結(jié)構(gòu)的原因，猜測材料本身具有更大的電化學(xué)比表面積（ECSA），對P-NiFe-NC與NiFe-NC的ECSA進(jìn)行比較。如圖3所示。a.

電化學(xué)比表面積圖，測試電位為0.20V；b.ORR極化曲線；c.Tafel斜率曲線；d.

K-L

plots

轉(zhuǎn)移電子數(shù)曲線；e.

抗甲醇測試曲線；f.

穩(wěn)定性測試曲線圖3

P-NiFe-NC電化學(xué)性能結(jié)果圖2.2.2

P-NiFe-NC鋅空氣電池性能測試使用P-NiFe-NC作為陰極催化劑構(gòu)建了可充電鋅空氣電池（ZAB），以評估催化劑的雙功能催化活性（如圖4所示）。a.

開路電壓測量；b.

鋅-空氣電池示意圖；c.

充電/放電極化曲線和功率密度；d.

不同電流密度下的充放電倍率性能測試；e.

電流密度為20mA/cm2時(shí)的長期循環(huán)性能圖4

P-NiFe-NC鋅空氣電池性能結(jié)果圖3

結(jié)論本文報(bào)道了一種磷摻雜Ni/Fe氮碳材料（P-NiFe-NC）的合成方法，通過與類似條件下合成的無磷摻雜的鎳鐵氮