開發ORR /OER雙功能高活性和長耐久性催化劑的對于實現鋅-空氣電池(ZAB)的實際應用至關重要。本文制備了三維結構的雙功能催化劑，CoFe納米合金修飾的碳納米管(CNT)錨定在2D MXene (Fe/Co-CNT@MXene-T)，并制成了水和柔性ZAB的陰極。利用CoFe納米顆粒的活性位點、CNT和MXene提供堅固的護套和快速的電荷轉移，我們的最佳催化劑Fe/Co-CNT@MXene-8表現出了顯著的ORR和OER電催化活性，分別可與基準鉑碳(Pt/C)和二氧化釕(RuO
2)相媲美。與Fe / Co-CNT@MXene-8 在電流密度為10mA cm
−2 下自主裝的ZAB陰極展出759 mAh g
−1比容量高,和一個穩定的電壓平臺在快速充放電375 h性能,優于基準商業催化劑和其他報道的催化劑。此外，以Fe/Co-CNT@MXene-8為陰極的柔性ZAB具有良好的耐久性循環性能，并顯示出作為可穿戴應用的未來前景。X射線吸收近邊結構(XANES)和密度泛函理論(DFT)計算也證實了這種高性能。這項工作為設計高效、持久的可充電ZAB提供了新的視角。
圖1 Fe/Co-CNT@MXene-T催化劑制備示意圖。
圖2 (a) MXene的SEM圖像。(b) MXene@PEI-M+的SEM圖像。(c) Fe-Co/CNT@MXene-8的SEM圖像。(d) MXene的HRTEM圖像。(e) Fe-Co/CNT@MXene-8不同形貌組分的HRTEM圖像:納米片和納米管(f)圖1e的放大圖像。(g) C、Fe、N、Co、O、Ti元素均勻分布的元素映射。(h-i) HAADF STEM圖像及其對應的元素的強度。
圖3 (a)制備的催化劑全譜及其(b) Co2p (c) Fe2p， (d) Ti2p， (e) Co的K-edge EXAFS， (f) Fe的K-edge EXAFS的高分辨率XPS譜。(g)催化劑的XRD譜圖(h) Fe/Co-CNT@MXene-8的氮吸附-脫附等溫線和孔徑分布(i)催化劑的拉曼散射光譜。
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圖4. (a) Fe/Co-CNT@MXene-T在N
2或O
2飽和0.1 M KOH溶液中的CV圖。(b) Fe-Co/CNT@MXene-T在1600 rpm時ORR的LSV極化曲線。(c) ORR對應的Tafel圖。(d)不同轉速下Fe- Co/CNT@MXene-8的LSV曲線。(e) OER極化曲線。(f) OER相應的Tafel圖。(g) as制備的雙功能催化活性催化劑。(h) ORR的E
1/2與OER的E
j=10之間的電壓差圖。(i)我們的催化劑ΔE值與文獻比較。
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圖5 (a)可充水ZAB的示意圖 (b)以Fe/Co-CNT@MXene-8為空氣陰極的ZAB開路電壓。鑲嵌的是由ZAB供電的LED燈。(c)率的能力。(d) Fe-Co/CNT@MXene-8和Pt/C+RuO
2基準的充放電極化曲線。(e)催化劑功率密度圖。(f)電流密度為10時歸一化的比容量。(g) ZAB在Fe- Co/CNT@MXene-8陰極上的恒電流放電和充電性能(h)不同時間放大循環電位圖。
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圖6 (a)柔性ZABs原理圖(b)以Fe-Co/CNT@MXene-8為空氣陰極的ZABs單、串聯開路電壓(c)相應的功率密度圖。(d)率的能力。(e)恒電流充放電性能。
相關科研成果由北京化工大學Guiping Ma等人于2021年發表在Carbon（https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.09.004）上。原文：FeCo alloy nanoparticles encapsulated N-doped carbon nanotubes (CNT) have been successfully anchored on the surface of N-doped MXene。
轉自《石墨烯雜志》公眾號
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