锌空气电池的发展迫切需要可替代铂/碳催化剂的廉价氧还原（ORR）催化剂。过渡金属/碳复合催化剂因为具有良好的ORR催化活性和低廉的价格引起人们的广泛关注。通过形貌调控、缺陷构筑、表/界面设计和原子掺杂是制备高效过渡金属/碳复合催化剂的常用策略，然而，兼顾多种调控策略实现催化剂高活性与高稳定性依然面临挑战。近日，天津工业大学马昌副教授和史景利教授课题组在氨/氩混合气氛中一步热解钴基醌胺聚合物便得到一种高效的钴基氧化物/碳ORR催化剂，此催化剂拥有含氧缺陷的中空Co3O4-x纳米粒子、可观的掺氮含量、高的比表面积与分级孔结构（图1）。所得钴基氧化物/掺氮碳催化剂展现出优异的ORR催化活性、稳定性和甲醇耐受性，作为锌空电池ORR催化剂表现出良好的应用前景。
相关结果发表在Carbon（DOI:https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.05.016）上。
图1 材料制备流程与材料微观形貌。
测试结果显示，所制备的钴基氧化物/碳催化剂表现出优异的ORR催化性能，其半波电位为0.845 mV （vs. RHE）, 超过了商业Pt/C和大多数近期报道的ORR催化剂。其还表现出优异的循环稳定性，CV循环8000圈后半波电位仅下降7 mV, 且样品的形貌和表面结构均无明显变化（如图2所示）。研究者认为其优异的催化性能归因于以下结构的共同作用：1）钴基氧化物内氧缺陷的存在改变其表面电子结构，降低催化氧还原反应的能量势垒，显著提升了其本征活性；2）Co3O4-x的中空结构有利于增强材料的结构稳定性和化学稳定性；3）掺杂氮与Co3O4-x协同进一步提升催化活性；4）纳米尺寸的CoO/Co3O4异质结构有利于电子快速传递；5）分级多孔结构与高比表面提供了便利的传质通道与充足的活性位点。
图2 中空Co3O4-x纳米颗粒修饰氮掺杂分级多孔碳的ORR催化性能。
研究者将此具有氧缺陷中空Co3O4-x纳米粒子修饰的掺氮分级多孔碳作为阴极催化剂组装了锌空电池，测试结果显示其具有较高的功率密度（105.2 mW cm-2），在电流密度为10 mA cm-2时，可持续恒流放电124小时，比容量高达799.5 mAh g-1, 同时还显示良好的循环稳定性（如图3所示）。研究者认为，由于具有简单的制备工艺、优异的催化性能以及低廉的价格，该钴基氧化物/碳催化剂在包括锌空气电池在内的金属空气电池或燃料电池上都具有良好的应用前景。
图3 基于钴基氧化物/碳复合催化剂组装的锌-空气电池性能。
原文刊载于【InfoMat】公众号
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