前言

2022年5月，AppliedSurface Science (中科院一區(qū)，影響因子7.392)在線發(fā)表了三峽大學葉立群教授團隊有關CTFs衍生碳材料在電催化氧還原領域的最新研究成果。該工作報道了一種精準吡啶-N活性位點的氮摻雜碳球的創(chuàng)新型制備方法，并研究了其電催化氧還原的性能及機理。論文第一作者為三峽大學青年教師鄭勇，論文通訊作者為三峽大學葉立群教授。

圖文摘要

背景介紹

綠色和可持續(xù)的能源轉換系統本質上需要智能設計對氧還原反應（ORR）具有高性能和長期穩(wěn)定性的非金屬催化劑。優(yōu)化具有豐富且均勻分布的氮（N）型活性位點的碳納米材料為提高ORR提供了更多優(yōu)勢。然而，使用當前的方法/技術設計具有明確定義的N 摻雜活性位點的催化劑極具挑戰(zhàn)性。本文研究提出一種合理的溶劑熱策略來合成共價三嗪聚合物（CTP），該聚合物作為理想的“一體”前體，可通過隨后的熱解制備高吡啶N摻雜含量的非金屬氧還原電催化劑。

由于豐富且精確構建的吡啶-N活性位點，新制備的N摻雜碳球（N/N-CS）催化劑對ORR具有優(yōu)異的催化活性，具有高半波電位（E1/2=0.865V vs. RHE），對甲醇具有優(yōu)異的耐受性和良好的長期性能。令人印象深刻的是，在將N/N-CS電極用作一次鋅空氣電池的正極材料時，N/N-CS電極的峰值功率密度（約148mW cm-2）優(yōu)于商業(yè)Pt/C電催化劑（約123mW cm-2)。這項工作提供了一種創(chuàng)新和高效的方法，用于合成具有精確控制的活性位點的非金屬電催化劑，為各種能量轉換反應提供了顯著催化能力。

本文亮點

1. 采用簡單高效的溶劑熱熱解轉化方法制備了吡啶-N為主導的碳球(N/N-CS)；

2. N/N-CS表現出優(yōu)異的氧還原反應(ORR)電催化活性，具有超高半波電位(E1/2= 0.865 V vs. RHE)和良好的甲醇耐受性；

3. N/N-CS可作為高性能鋅-空氣電池的空氣正極材料；

4. 采用N/N-CS為空氣陰極組裝鋅-空氣電池具有良好的放電性能，功率密度為148mW cm -2，優(yōu)于商用Pt/C (127 mW cm -2)。

圖文導讀

圖1. N摻雜碳球的制備示意圖。

圖2. (a) O/N-CS和(b)N/N-CS的SEM圖像，(c)O/N-CS和(d) N/N-CS的C、N和O的TEM圖像和EDS圖。

圖3.(a) FT-IR光譜，(b)固態(tài)13C NMR光譜，(c) XRD譜圖，(d) N-CTP和O-CTP的XPS高分辨率N 1s光譜。

圖4. (a) XPS測量光譜，(b) 高分辨率XPS N1s，(c) XRD 圖案，(d)拉曼光譜，(e)氮吸附/解吸等溫線，(f) N/N-的孔徑分布CS 和O/N-CS。

圖5. (a)O/N-CS、N/N-CS和Pt/C在0.1M O2飽和KOH中轉速為1600 rpm時的LSV曲線，(b)LSV曲線對應催化劑的Tafel圖，(c)在800~2400轉/分不同轉速下，0.1M O2飽和KOH中N/N-CS的LSV曲線，(d)0.60~0.80 V電流密度下N/N-CS的K-L圖，(e)Pt/C和N/N-CS在0.1 M O2飽和KOH中加入1M甲醇，轉速為1600 rpm時的時程電流響應，(f) Pt/C和N/N-CS在1600轉/分轉速下的耐久性。

圖6. (a)一次鋅空氣電池的示意圖，(b)分別使用Pt/C和N/N-CS作為空氣電極的一次鋅空氣電池的放電極化和功率密度曲線，(c)分別為N/N-CS和基準Pt/C空氣電極的比容量圖，(d) N/N-CS和Pt/C空氣電極在10、20、30、40、50和10 mA cm-2的不同放電電流密度下的倍率性能。

全文小結

這項工作為合理設計和制造活性位點可控的雜原子摻雜碳材料提供了一條途徑，這對金屬空氣電池、燃料電池和其他能量轉換裝置具有吸引力。作者相信制備吡啶-N主導的N摻雜納米碳的策略將是通用的，并將激發(fā)這個新興領域的廣泛應用。這項工作為實際應用中鋅空氣電池電極材料的設計制備開辟了廣闊的前景。該研究成果得到了國家自然科學基金的資助。

審核編輯：劉清