近日,天津大學(xué)Nanoyang團隊利用微波輻照法超快制備了Fe-N-G/CNT單原子催化劑,發(fā)現(xiàn)其在貧氧海水中具有高的氧響應(yīng)能力,利用該催化劑組裝的海水電池在貧氧、低溫的極端海水環(huán)境中仍然保持優(yōu)異的使役性能。通過XANES,EXAFS譜圖確定了其催化中心的單原子分布,同時結(jié)合開爾文探針力顯微鏡(KPFM)測試證明了其G/CNT界面處發(fā)生的電子轉(zhuǎn)移過程,從而為證明高ORR催化活性機理。進(jìn)一步結(jié)合理論計算結(jié)果,證明在G/CNT界面處由于雙吸附位點協(xié)同作用導(dǎo)致強吸氧性,闡明其在貧氧環(huán)境中表現(xiàn)出高性能的原因。當(dāng)溶解氧(DO)含量小于0.4 mg·L-1時,F(xiàn)e-N-G/CNT基海水電池可正常工作,電壓維持在1.18 V,而Pt/C基海水電池則無法正常工作。構(gòu)建親氧催化正極有助于打破海水電池應(yīng)用海域限制,進(jìn)一步擴大其應(yīng)用場景。相關(guān)研究成果以“An Oxygenophilic Atomic Dispersed Fe-N-C Catalyst for Lean‐Oxygen Seawater Batteries”為題發(fā)表在能源材料領(lǐng)域國際權(quán)威期刊Adv. Energy Mater.上。孟蓉?zé)�,張辰,陸子洋為本文第一作者�?/div>
【圖文導(dǎo)讀】
采用微波合成策略來制備具有獨特的親氧性的Fe-N-G/CNT ORR電催化劑,制備出超分散的Fe單原子催化劑,整體制備時長約為1 min。采用HR-TEM和STEM電鏡觀察所制備催化劑的形貌情況,利用X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)(XAFS)光譜表征證明催化劑的原子結(jié)構(gòu)和配位情況。如圖1所示,所制備的材料為G/CNT雜化材料,F(xiàn)e單原子分布在G和CNTs上,且Fe中心的配位結(jié)構(gòu)為Fe-N4結(jié)構(gòu)。
圖1 Fe-N-G/CNT的制備流程示意圖(a);HR-TEM(b)以及STEM圖(c,d);XAFS分析結(jié)果(e-h)。
石墨烯和CNTs兩種不同費米能級納米碳之間發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移現(xiàn)象(圖2 a-c),提高了Fe中心的氧化態(tài),有利于Fe-N4催化劑上發(fā)生的ORR決速步驟——OH*脫附,從而提高了Fe-N4的催化活性;理論計算結(jié)果表明(圖2 d-i),G/CNT的帶狀界面具有增強的O2吸附能力,從而提高了該催化劑的親氧性,在貧氧環(huán)境下表現(xiàn)出特異的ORR反應(yīng)特征。
圖2 KPFM表征(a-c)以及DFT計算結(jié)果(d-i)。
在堿性介質(zhì)和人造海水中均對其ORR性能進(jìn)行了評估,F(xiàn)e-N-G/CNT顯示出較好的ORR性能,優(yōu)于商用的Pt/C催化劑。在氧飽和的人工海水環(huán)境中,LSV測試結(jié)果表明(圖3(a)),F(xiàn)e-N-G/CNT的E1/2為0.704 V,高于Fe-N-G(0.486 V),F(xiàn)e-N-CNT(0.413 V)以及Pt/C(0.631 V)。如圖3(b)所示,其Tafel斜率為136.17 mV·decade-1,遠(yuǎn)小于Fe-N-G(442.26 mV·decade-1),F(xiàn)e-N-CNT(396.49 mV·decade-1)以及Pt/C(271.41 mV·decade-1),表明其具有更快的電子轉(zhuǎn)移動力學(xué)。穩(wěn)定性測試結(jié)果也說明該催化劑在惡劣的電解液環(huán)境中具有較好的穩(wěn)定性,0.6~1.0 V電壓區(qū)間內(nèi)進(jìn)行5000圈加速老化實驗之后E1/2發(fā)生了約40 mV的衰減,顯著優(yōu)于商用Pt/C催化劑。在極低的氧氣濃度(0.4 mg·L-1)下,F(xiàn)e-N-G/CNT在0.45 V時仍顯示出顯著的ORR特征峰,而Pt/C則幾乎沒有響應(yīng),這證明了親氧催化劑在極端環(huán)境中的關(guān)鍵作用。
圖3 在通氧飽和的海水中測試的LSV曲線(a),轉(zhuǎn)移電子數(shù)(b),Tafel曲線(c)以及(d)穩(wěn)定性測試;在貧氧海水中的測試結(jié)果:氧含量≈1 mg L-1 LSV曲線(e);氧含量≈0.4 mg L-1 LSV曲線(f)。
基于Fe-N-G/CNT催化劑組裝了海水電池,測試其在貧氧條件下天然海水中的穩(wěn)定性,驗證了其在貧氧海水中的可行性及親氧催化劑設(shè)計對實際應(yīng)用的重要性。如圖4e所示,采用我國東海海水為電解液,該海水電池的平均放電電壓為1.80 V,除初期有短暫的衰減外后續(xù)放電十分平穩(wěn);呂宋海峽海水中平均放電電壓為1.67 V并且?guī)缀鯖]有任何衰減,這種差異是由于海水成分和pH等差異導(dǎo)致的,但是在天然海水中其保持良好穩(wěn)定充分說明其具有實際應(yīng)用的巨大潛力。
圖4 (a)海水電池模型;(b)海水電池倍率性能;(c)不同氧含量下的放電性能;(d, e)天然海水放電性能;(f)天然海水貧氧低溫性能。
本研究給出了設(shè)計用于極端環(huán)境(低氧濃度)的先進(jìn)ORR催化劑的理性設(shè)計原則,并為研發(fā)適用于深海應(yīng)用的下一代能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提供了實踐經(jīng)驗,助力深海探索,海洋生物、環(huán)境因素長期監(jiān)測,海洋鉆井口漏油情況監(jiān)控等具體應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。
【探究亮點】
1.微波法合成Fe-N-G/CNT催化劑具有強氧親和力以及高催化活性,使其可用于貧氧深海�;谔技{米管和石墨烯之間的費米能級不匹配,電子遷移導(dǎo)致Fe的氧化態(tài)增加使其具有出色的催化活性。通過DFT計算證明了在G/CNT界面上具有強氧親和力。Fe-N-G/CNT兼具親氧性和高催化活性,在氧飽和的堿性介質(zhì)和海水中均具有優(yōu)于Pt/C的ORR性能。即使使用超低氧濃度為0.4 mg·L-1的貧氧海水,F(xiàn)e-N-G/CNT仍表現(xiàn)出顯著的ORR特征響應(yīng),而Pt/C幾乎沒有ORR響應(yīng)。
2.真實海水中的Fe-N-G/CNT基海水電池具有很高的穩(wěn)定性,表明其在深�?碧街械臐撛趹�(yīng)用前景。海水電池在貧氧環(huán)境中(≈0.4 mg·L-1)在10 mA·cm-2時的放電電壓為1.18 V時顯示出高的實用潛力。在從中國南海提取的海水中測試,該海水電池仍在1.80 V的放電電壓下工作,并表現(xiàn)出出色的穩(wěn)定性,在100,000 s后沒有電壓降。
Rongwei Meng#, Chen Zhang#*, Ziyang Lu#, Xiaoying Xie, Yingxin Liu, Quanjun Tang, Huan Li, Debin Kong, Chuan‐Nan Geng, Yan Jiao, Zehui Fan, Qing He, Yong Guo, Guowei Ling*, Quan‐Hong Yang*,An Oxygenophilic Atomic Dispersed Fe-N-C Catalyst for Lean‐Oxygen Seawater Batteries, Advanced Energy Materials, 2021, DOI:10.1002/aenm.202100683.
作者簡介:
張辰,天津大學(xué)海洋學(xué)院,碩士生導(dǎo)師。主要聚焦碳功能材料在海洋儲能和海洋環(huán)保中的應(yīng)用。在Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Science等期刊發(fā)表論文50余篇,引用3500余次,授權(quán)中國專利15件,美國專利2件,出版學(xué)術(shù)專著一部。獲天津市技術(shù)發(fā)明一等獎(排名第5),入選天津市青年人才托舉工程、天津市“131人才工程第三層次人選”,擔(dān)任《無機鹽工業(yè)》青年編委。主持和參與國家自然科學(xué)基金青年基金、重點基金、國家重點研發(fā)計劃國際合作項目等。
凌國維,天津大學(xué)海洋學(xué)院副教授,博士生導(dǎo)師。長期從事鋰離子電池、鋰硫電池的關(guān)鍵材料設(shè)計和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,聚焦新型海洋能源器件的設(shè)計構(gòu)建。獲天津市技術(shù)發(fā)明一等獎、天津市科技進(jìn)步一等獎和天津市專利金獎、中國專利優(yōu)秀獎等獎項。
楊全紅,天津大學(xué)講席教授、博士生導(dǎo)師,新加坡國立大學(xué)(NUS)-天津大學(xué)(TJU)教授。國家杰出青年科學(xué)基金獲得者、中組部“萬人計劃”領(lǐng)軍人才、天津市有突出貢獻(xiàn)專家、科睿唯安“全球高被引科學(xué)家”和愛思唯爾“中國高被引學(xué)者”,享受國務(wù)院政府特殊津貼。從事碳功能材料、新型二維材料和先進(jìn)電池研究,在致密儲能和鋰硫催化方面取得進(jìn)展。獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎和天津市自然科學(xué)一等獎等獎項。擔(dān)任Energy Storage Materials副主編,Carbon和Science China Materials等10余份刊物編輯和編委。發(fā)表SCI論文200余篇,引用23000余次,H因子82。出版石墨烯材料專著《石墨烯:化學(xué)剝離與組裝》,擁有中國和國際授權(quán)發(fā)明專利42件,為《人民日報》等撰寫評論文章。
(責(zé)任編輯:子蕊)