Adv. Sci:负载缺陷氧化钨的二元Fe-Co纳米团簇作为锌-空气电池高效氧还原电催化剂

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第一作者:Qinglin Han

通讯作者:Zhongwei Chen

通讯单位:Hebei University of Technology

 

研究内容: 

合理设计金属氧化物负载的非贵金属是开发稳定高效氧还原反应(ORR)电催化剂的关键。本研究开发了一种高效的ORR催化剂,该催化剂由含缺陷氧化钨的二元Fe/Co纳米团簇和嵌入N掺杂碳层(NC)组成,具有三维有序大孔结构(3DOM Fe/Co@NC-WO2-x)含缺陷3DOM WO2-x不仅作为多孔稳定的载体,而且提高了导电性能,保证了二元Fe/Co纳米团簇良好的分散性,有利于其ORR催化活性。理论计算表明,在支持的二元Fe/Co簇中存在FeCo的电子转移协同效应,促进了ORR反应的能量转化。因此,3DOM Fe/Co@NC-WO2-x催化剂表现出优秀的ORR活动在碱性介质的半波电位(E1/2) 0.87 V高于Pt / C (0.85 V)锌空气电池组装3DOM Fe/Co@NC-WO2-x阴极提供更高的功率密度和比容量比Pt / C。提出了一种将协同作用的二元金属纳米团簇与导电金属氧化物载体设计相结合的新策略,以开发高效、耐用的ORR电催化剂。


要点一:

本研究开发了一种高效耐用的3DOM结构设计的缺氧WO2?xN掺杂碳层负载二元Fe/Co纳米簇催化剂。NH3处理得到的3DOM WO2?x载体具有丰富的氧空位和N掺杂。这不仅提高了催化剂的电导率和比表面积,而且保证了良好的分散性和强的Fe/Co纳米团簇的锚定相互作用。


要点二:

实验分析表明,二元FeCo在掺氮WO2-x载体上的协同作用对其ORR活性起着至关重要的作用。DFT计算进一步证明了这一点,表明在N-WO2-x支持的二元Fe/Co簇中同时存在FeCoFe/Co纳米团簇的电子转移,促进了临界ORR反应步骤的反应动力学。因此,所开发的3DOM Fe/Co@NC-WO2-x催化剂在碱性电解质中具有优异的ORR电催化性能。结果表明,采用3DOM Fe/Co@NC-WO2-x阴极的ZAB具有165.1 mW cm-2的高功率密度和757 mA的比容量。此外,与3DOM Fe/Co@NC-WO2-x组装的柔性锌空气电池的峰值功率密度为28.2 mW cm-2,表明其在实际应用中的潜力。本研究为合理设计高效、耐用的金属氧化物负载型二元金属基电催化剂开辟了一条新途径。


1研究了3DOM Fe/Co@NC-WO2-x纳米团簇的制备工艺及NC-WO2-xFe/Co纳米团簇的稳定作用。

 

2a,b) SEM图像,c) TEM图像,d) HRTEM图像,e) 3DOM Fe/Co@NC-WO2-x的高倍TEM映射图。

 

3: a) x射线衍射图,b)拉曼光谱,c) EPR光谱,d) WFeCoCNOWO2-x晶体上的HAADF-STEM图像及其对应的元素映射,e) 3DOM Fe/Co@NC-WO2-xWO2-x晶体上FeCoHAADF-STEM元素映射重叠。

4 a) W 4f, b) N 1s, c) O 1s, d) C 1s, e) Fe 2p,和f) Co 2p 3DOM Fe/Co@NC-WO2-x高分辨率XPS光谱。


5a)扫描速率为10 mV/s时催化剂的LSV曲线b)不同转速下的LSV曲线。c) 3DOM Fe/Co@NCWO2-xK-Ld) 3DOM Fe@NC-WO2-x3DOM Co@NC-WO2-xFe/Co@NC3DOM Fe/Co@NC-WO2-xPt/ cTafele) 3DOM Fe/Co@NC-WO2-xPt/C100 mV/s的速度在0.6 - 1.0 V(相对于RHE)之间循环5000 CV前后的LSV曲线f)0.1 m KOH溶液中加入0.5 m CH3OH前后,3DOM Fe/Co@NC-WO2-xPt/C0.6 V (vs. RHE)下的计时安培响应。

 

6a)电荷密度差图的DFT计算结果及Fe4@N-WO2-xCo4@N-WO2-xFe2Co2@N-WO2-x模型的巴德尔电荷转移分析;黄色和青色代表电荷积聚和耗尽区域;b) O2吸附构型;c)Fe4@N-WO2-xCo4@N-WO2-xFe2Co2@N-WO2-x上优化反应的初始态(IS)、过渡态(TS)和最终态(FS)结构:O* + H2O + e-  OH* + OH

7a) ZAB示意图;b)OCV;C)极化和功率密度曲线;d) 10 mA cm-2的比容结果;e)采用3DOM Fe/Co@NC-WO2-xPt/C催化剂组装的ZAB在不同电流密度下的放电曲线;f) LED与两个基于3DOM Fe/Co@NC-WO2-xZABs串联连接的照片。

 

8a)柔性锌空气电池的结构表示;b)OCV;C)极化和功率密度曲线;D)不同弯曲角度下的电压;e)使用3DOM Fe/Co@NC-WO2-x催化剂安装的柔性锌空气电池的LED照明演示。

 

参考文献

Qinglin Han, Ximeng Zhao, Yuhong Luo, Lanlan Wu, Shujuan Sun, Jingde Li, Yanji Wang, Guihua Liu, Zhongwei Chen. Synergistic Binary Fe–Co Nanocluster Supported on Defective Tungsten Oxide as Efficient Oxygen Reduction Electrocatalyst in Zinc-Air Battery. Adv. Sci. 2021, 2104237.



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