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韓國高麗大學(xué)Jung-Kul Lee--由厚度可控的碳納米管和花狀Co3O4納米顆粒組成的大孔微球作為ORR和鋅空氣電池的高效雙功能催化劑

合理設(shè)計高效雙功能氧電催化劑的納米結(jié)構(gòu)是其應(yīng)用于新型可充電鋅空氣電池是必要的。特別是，具有高表面積的三維多孔結(jié)構(gòu)能夠提高了電解質(zhì)的傳輸和電荷轉(zhuǎn)移效率。采用噴霧熱解和雙氰胺后處理的方法制備了具有高比表面積的納米鎳包埋的碳納米管(bCNTs)組成的三維多孔微球。在熱處理過程中，熱穩(wěn)定的MgO基體限制了金屬鎳納米催化劑的晶體生長，從而控制了bCNTs的厚度和長度。MgO-Ni微球中較高的MgO比例會導(dǎo)致金屬鎳納米晶更小，從而導(dǎo)致bCNTs的生長更薄、更短。通過控制bCNTs的厚度和長度，形貌優(yōu)化的高比表面積微球表現(xiàn)出高的電化學(xué)比表面積(ECSA)和提高氧氧化還原活性，特別是對氧還原反應(yīng)(ORR)。為了彌補(bǔ)低氧析氧反應(yīng)(OER)活性，花狀Co₃O₄納米顆粒通過一個簡單的自下而上的過程裝飾在微球上。制備的復(fù)合微球(Co/CNT_10Mg/ Ni)在KOH基電解質(zhì)中表現(xiàn)出比Pt/C和RuO₂更好的ORR和OER活性。Co/CNT_10Mg/Ni作為ZABs的空氣陰極，比Pt/ C RuO2體系具有更低的極化率、更高的功率密度(181 mW cm^-²)和更穩(wěn)定的循環(huán)性能(250 h)。

圖1 Co/CNT_10Mg/Ni的形成示意圖。

圖2 CNT_10Mg/Ni的(a) SEM圖像，(b和c) TEM圖像，(d) HR-TEM圖像，(e) SAED圖像，(f)元素映射圖像。

圖3 CNT_{_x}Mg/Ni: (a和b) 1: 1， (c和d) 3: 1， (e和f) 5: 1， (g和h) 10: 1的不同Mg和Ni比例的透射電鏡圖像。

圖4. (a, b)不同Mg和Ni配比CNT__xMg/Ni的ORR和(c, d) OER性能:(a) LSV曲線，(b) Tafel曲線，(c) LSV曲線，以及(d)相應(yīng)催化劑的Tafel圖。

圖5 Co/CNT_10Mg/Ni:(a) SEM圖像，(b和c) TEM圖像，(d) HR-TEM圖像，(e) SAED圖像，(f)元素映射圖像。

圖6 Co/CNT_10Mg/Ni的XPS譜圖:(a) Co 2p， (b) O 1s， (c) c 1s， (d) N 1s。

圖7 Co/CNT_10Mg/Ni的(a-c) ORR和(d-f) OER性能，CNT_10Mg/Ni, b-Co₃O₄, RuO₂和Pt/C: (c)計時電流響應(yīng)，(d) LSV曲線，(e) Tafel圖，以及 (f)相應(yīng)催化劑的Nyquist圖。

圖8 Co/CNT_10Mg/Ni的 (a)極化和相應(yīng)的功率密度曲線，(b)放電和電荷極化曲線，(c)比能量密度，(d)速率性能和(e)恒電流放電和充電試驗。

相關(guān)科研成果由韓國高麗大學(xué)Jung-Kul Lee等人于2021年發(fā)表在J. Mater. Chem. A. (DOI: 10.1039/d1ta08217e)上。原文：Macroporous microspheres consisting of thickness-controlled bamboo-like CNTs and flower-like Co3O4 nanoparticles as highly efficient bifunctional oxygen electrocatalysts for Zn–air batteries。

轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號



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