南开大学Weichao Wang课题组--富含缺陷的氮掺杂石墨烯限制钴纳米粒子用于长寿命的可充电锌空电池

合理设计一种高效且稳定的多功能电催化剂来取代贵金属催化剂是极其需要的，但也极具挑战性。在该研究中，通过热解石墨烯-超分子复合物，合成了富含缺陷的氮掺杂石墨烯封装的金属纳米颗粒。所获得的催化剂显示出优异的ORR性质，OER性质和HER性质，在0.1 M KOH溶液中，其性能指标分别为半波电位E1/2 = 0.864 V，10 mA/cm2电流密度时，OER过电位η= 383 mV，而HER过电位η= 193 mV。将该材料装入可充电的锌空电池中，、峰值功率密度为205 mW/cm2，循环寿命为667 h。经研究发现，M–Nx成分的形成和缺陷的N掺杂石墨烯促使了良好的ORR活性，而好的OER和HER活性则归因于富含缺陷的N掺杂C和Co核的存在。这一研究发现为设计兼具多功能催化活性和高稳定性的电催化剂提供了的重要的见解。

Figure 1. CoDNG900样品的制备示意图。

Figure 2. (a) 各种催化剂的 XRD图, (b, c) CoDNG900的TEM图，(d-f) HRTEM图, (g) HAADF扫描TEM图和(h-n)相应的元素分布。

Figure 3. ORR性质。（a）各种催化剂在O2饱和的0.1 M KOH溶液中（转速：1600 rpm，扫描速率：5 mV/s）的LSV曲线，（b）相应的Tafel图，（c）所有催化剂的半波电位和起始电位，（d）CoDNG900和Pt/C在0.6 V（转速：1600 rpm）时的i-t曲线，（e）耐甲醇性测试，（f）在1.15 V电位下，Δj= ja – jc相对于一系列扫描速率绘制的曲线。

Figure 4. OER性质和HER性质。（a）所有催化剂在O2饱和的0.1 M KOH溶液中的LSV曲线，以及（b）相应的Tafel图，（c）所有催化剂的△E，（d）所有催化剂于Ar饱和的0.1 M KOH溶液中的LSV曲线以及相应的（e）Tafel图，（f）催化剂在10 mA/cm2电流密度时的OER和HER过电位比较。

Figure 5. (a) 开路电压时的曲线，(b) 放电极化曲线和相应的功率密度，(c) CoDNG900 和Pt + IrO2基锌空电池的充放电极化曲线，(d) 初始的 1˜10圈, (e) 990˜1000圈和 (f) 1990˜2000圈 恒电流充放电曲线，(g) 循环性能，(h) 锌空电池示意图。

相关研究工作由南开大学Weichao Wang课题组于2020年发表在Applied Catalysis B: Environmental期刊上。原文：Trifunctional Co nanoparticle confined in defect-rich nitrogen-doped graphene for rechargeable Zn-air battery with a long lifetime。