N掺杂纳米碳材料插入Ni-Co层状双氢氧化物(NiCo-LDH)纳米片中的用于高性能锌-空气电池的双功能催化剂

锌空气电池作为最有前景的储能器件之一，其空气电极所用的OER和ORR双功能催化剂是研究者们的关注热点，已经证明3D过渡金属组成的几种层状双氢氧化物(LDH)对 OER 过程具有强大的电催化活性。然而，由于缺乏ORR活性位点，纯LDH还不能作为锌-空气电池空气电极有效的催化剂。碳基材料一直是ORR催化剂研究的热点，因此许多工作都集中在过渡金属纳米材料和碳材料的复合材料的合成上。碳材料孔隙多、密度小、资源丰富、具有优异的稳定性，可以在一定程度上改善过渡金属双氢氧化物较差的电子导电性。由此，通过结构设计或者调节异质界面可以提高过渡金属复合材料整体的双功能活性。

近日，西安工业大学材料与化工学院王素敏教授、王奇观教授课题组报道了一种将N掺杂纳米碳材料插入Ni-Co层状双氢氧化物(NiCo-LDH)纳米片中的用于高性能锌-空气电池的双功能催化剂。首先以苝四羧酸二酐和双氰胺为原料，在水热条件下自组装合成多孔超薄氮掺杂碳纳米材料(NCM)，其层间距离增大，ORR活性突出，但其OER催化活性较差。为了设计一种双功能催化剂，ORR型NCM通过原位生长在泡沫镍(NF)上，插入到具有OER活性的Ni-Co层状双氢氧化物(NiCo-LDH)簇中，制得NiCo-LDH/NCM@NF。NCM在NiCo-LDH中的分散提高了NiCo-LDH的电导率和电活性表面积，显示出丰富的氧空位，极大地促进了ORR/OER双功能活性。在50 mA cm⁻²的高电流密度下，OER过电位低至0.352V。同时，NiCo-LDH/NCM@NF样品的ORR性能也得到提高。以NiCo-LDH/NCM@NF为空气阴极，组装成锌-空气电池的容量为685 mAh g⁻¹，能量密度为158 mW cm⁻²。NiCo-LDH/NCM@NF的极限电流密度为4.421 mA cm^-2，半波电位为0.765 V(vs. RHE)，在构建绿色能源器件方面具有广阔的应用前景。

论文信息

N-doped Nanocarbon Inserted NiCo-LDH Nanoplates on NF with High OER/ORR Performances for Zinc-Air Battery

Zhe Jia, Jiayin Shang, Kaijing Xue, Xi Yang, Prof. Sumin Wang, Changhua Xu, Prof. Qiguan Wang

ChemCatChem

DOI: 10.1002/cctc.202201469