东北大学在锌-空气电池氧还原催化剂领域取得重要突破

近日，秦皇岛分校资源与材料学院伊廷锋教授团队在一次锌-空气电池领域取得重要进展，研究成果“Dual MOF-derived Fe/N/P-tridoped carbon nanotube as high-performance oxygen reduction catalysts for zinc-air batteries（双MOF衍生的Fe/N/P-三掺杂碳纳米管作为高性能氧还原催化剂应用于锌-空气电池）”发表于催化领域国际顶级刊物Applied Catalysis B: Environmental（中科院一区，影响因子24.319）。博士研究生常慧为本文第一作者，秦皇岛分校伊廷锋教授和黑龙江大学谢颖教授为论文通讯作者。东北大学为第一完成单位。

锌-空气电池(ZAB)具有环保、成本低、资源丰富和理论能量密度高等优点，是一种有发展前景的新型电动汽车储能装置。空气电极是决定电池性能的关键因素，而空气电极上缓慢的氧还原反应(ORR)是导致电池性能降低的关键因素。Pt基催化剂是有效的氧还原催化剂，但由于其成本高、储存量低和耐用性差等缺点制约了其在电池中的实际应用。因此，开发成本低、活性高、稳定性好的无铂ORR电催化剂已成为一种趋势。在众多非贵金属ORR催化剂中，Fe-N-C因其价格低廉、ORR活性高等优点得到了广泛的关注。Fe-N-C通常是通过对含有N、C和Fe盐的前驱体进行高温热处理，但往往导致形貌不均匀，从而阻碍电荷转移并降低催化中心的利用效率。

金属有机框架(MOFs)是一种优良的前驱体，因为MOFs不仅与有机配体桥接的金属节点复合，提供催化所需的过渡金属、碳和杂原子，而且具有可控的周期性。炭化过程中，有机配体转化为多孔石墨碳基体，金属离子转化为金属纳米颗粒、金属化合物纳米颗粒或金属原子并嵌入碳材料中。将ZIF-8与不同铁源结合制备碳纳米管的方法已有报道。由于合成工艺过于复杂，需要二次高温热解和酸处理，该制备方法不利于大规模生产。杂原子掺杂可以调节铁原子活性中心周围的电子结构，进而提高ORR性能。目前，杂原子的加入对中心金属原子的影响已经有了深入的研究，但杂原子的加入量对催化剂ORR性能的影响却鲜有报道。因此，开发具有简单合成工艺的杂原子掺杂的Fe-N-C纳米管用于高效氧还原工艺是非常必要的。

摘要图  Fe/N/P-三掺杂的膨胀的碳纳米管的设计

基于此，该研究团队采用简单的一步煅烧法制备了具有大比表面积和多孔结构的Fe/N/P-三掺杂膨胀的碳纳米管(P-Fe-N-CNTs)电催化剂。NaH2PO2作为P源和还原剂，促进了膨胀的P-Fe-N-CNTs催化剂的形成。只需一次煅烧即可获得性能良好的电催化剂，无需额外的酸处理和二次煅烧。NaH2PO2的加入加速了MIL-101(Fe)中Fe物种的转化，从而催化了碳纳米管的原位生长。同时，部分P原子嵌入到膨胀的碳纳米管中，为捕获金属Fe提供了丰富的锚定位点，从而增加了活性位点的数量。密度泛函理论(DFT)计算结果还证实，适量的P掺杂到碳纳米管中可以调节活性中心的电子结构，从而提高ORR性能。本研究为制备合理的膨胀P-Fe-N-CNTs提供了一种可控的方法，尤其适用于锌空气电池。