北京化工大学Guiping Ma --成功地固定在N掺杂MXene表面的包覆在氮掺杂碳纳米管(CNT)的FeCo合金纳米粒子
开发ORR /OER双功能高活性和长耐久性催化剂的对于实现锌-空气电池(ZAB)的实际应用至关重要。本文制备了三维结构的双功能催化剂，CoFe纳米合金修饰的碳纳米管(CNT)锚定在2D MXene (Fe/Co-CNT@MXene-T)，并制成了水和柔性ZAB的阴极。利用CoFe纳米颗粒的活性位点、CNT和MXene提供坚固的护套和快速的电荷转移，我们的最佳催化剂Fe/Co-CNT@MXene-8表现出了显著的ORR和OER电催化活性，分别可与基准铂碳(Pt/C)和二氧化钌(RuO2)相媲美。与Fe / Co-CNT@MXene-8 在电流密度为10mA cm−2 下自主装的ZAB阴极展出759 mAh g−1比容量高,和一个稳定的电压平台在快速充放电375 h性能,优于基准商业催化剂和其他报道的催化剂。此外，以Fe/Co-CNT@MXene-8为阴极的柔性ZAB具有良好的耐久性循环性能，并显示出作为可穿戴应用的未来前景。X射线吸收近边结构(XANES)和密度泛函理论(DFT)计算也证实了这种高性能。这项工作为设计高效、持久的可充电ZAB提供了新的视角。
图1 Fe/Co-CNT@MXene-T催化剂制备示意图。
图2 (a) MXene的SEM图像。(b) MXene@PEI-M+的SEM图像。(c) Fe-Co/CNT@MXene-8的SEM图像。(d) MXene的HRTEM图像。(e) Fe-Co/CNT@MXene-8不同形貌组分的HRTEM图像:纳米片和纳米管(f)图1e的放大图像。(g) C、Fe、N、Co、O、Ti元素均匀分布的元素映射。(h-i) HAADF STEM图像及其对应的元素的强度。
图3 (a)制备的催化剂全谱及其(b) Co2p (c) Fe2p， (d) Ti2p， (e) Co的K-edge EXAFS， (f) Fe的K-edge EXAFS的高分辨率XPS谱。(g)催化剂的XRD谱图(h) Fe/Co-CNT@MXene-8的氮吸附-脱附等温线和孔径分布(i)催化剂的拉曼散射光谱。
图4. (a) Fe/Co-CNT@MXene-T在N2或O2饱和0.1 M KOH溶液中的CV图。(b) Fe-Co/CNT@MXene-T在1600 rpm时ORR的LSV极化曲线。(c) ORR对应的Tafel图。(d)不同转速下Fe- Co/CNT@MXene-8的LSV曲线。(e) OER极化曲线。(f) OER相应的Tafel图。(g) as制备的双功能催化活性催化剂。(h) ORR的E1/2与OER的Ej=10之间的电压差图。(i)我们的催化剂ΔE值与文献比较。
图5 (a)可充水ZAB的示意图 (b)以Fe/Co-CNT@MXene-8为空气阴极的ZAB开路电压。镶嵌的是由ZAB供电的LED灯。(c)率的能力。(d) Fe-Co/CNT@MXene-8和Pt/C+RuO2基准的充放电极化曲线。(e)催化剂功率密度图。(f)电流密度为10时归一化的比容量。(g) ZAB在Fe- Co/CNT@MXene-8阴极上的恒电流放电和充电性能(h)不同时间放大循环电位图。
图6 (a)柔性ZABs原理图(b)以Fe-Co/CNT@MXene-8为空气阴极的ZABs单、串联开路电压(c)相应的功率密度图。(d)率的能力。(e)恒电流充放电性能。
相关科研成果由北京化工大学Guiping Ma等人于2021年发表在Carbon（https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.09.004）上。原文：FeCo alloy nanoparticles encapsulated N-doped carbon nanotubes (CNT) have been successfully anchored on the surface of N-doped MXene。