Mn，N共掺杂Co纳米颗粒/多孔碳作为高效可充电锌空气电池的双功能催化剂

可充电锌空气电池因其低成本和高理论能量密度等特性，受到研究人员的广泛关注。在研究过程中发现，阻碍和限制锌空电池发展的关键因素是空气阴极处氧还原和氧析出反应的反应动力学过于缓慢。针对这一问题，通常的策略是使用电催化剂降低反应势垒。目前商用的贵金属催化剂（铂碳和铱碳）虽然催化性能较好，但成本高、寿命短等问题不利于其大规模生产和应用。因此，开发高效、稳定的过渡金属催化剂是解决上述难题的有效途径。
近日，兰州大学彭尚龙教授课题组通过热解金属有机骨架（MOF）衍生物得到的Mn，N共掺杂Co纳米颗粒/多孔碳（Mn-CoNx/N-PC），可作为锌空电池双功能催化剂。一方面氮和金属元素之间存在强烈配位作用，N的引入可以显著提高ORR活性位点（Co-N-C）的含量；另一方面Mn掺杂调节了Co元素的电子结构从而增加了Co0的含量，而Co0可作为OER高效的活性位点。因此，Mn-CoNx/N-PC催化剂表现出超强的双功能催化活性，半波电位E1/2达到0.85 V，过电位∆E低至0.71 V。
图1. Mn-CoNx/N-PC制备流程示意图。

图片来源：Nano Research

图2. 前驱体的SEM和Mn-CoNx/N-PC的TEM及mapping图。

图片来源：Nano Research

图3. CoNx/N-PC、Mn-CoNx/N-PC和Mn/N-PC的XRD、Raman和XPS图。

图片来源：Nano Research

图4.Mn-CoNx/N-PC的ORR和OER性能测试图。

图片来源：Nano Research

图5.∆E，锌空电池，功率密度和稳定性测试图。

图片来源：Nano Research

XPS测试结果显示，Mn 和 N 的引入在提高电催化活性方面起着至关重要的作用。氮和金属元素之间强烈的配位作用以及Co0含量的增加，均预示着目标产物双功能催化特性的显著改善。将该双活性催化剂组装成液态锌空气电池时，电池展现出高功率密度和优异的循环稳定性。
这一成果近期发表在Nano Research上，兰州大学郑晗祯（硕士）与马飞（副教授）为文章的共同第一作者，通讯作者为兰州大学彭尚龙教授。
文献信息：
Mn,N co-doped Co Nanoparticles/Porous Carbon as Air Cathode for Highly Efficient Rechargeable Zn-air Batteries
Hanzhen Zheng, Fei Ma, Hongcen Yang, Xiaogang Wu, Rui wang, Dali Jia, Zhixia Wang, Niandi Lu, Fen Ran, Shanglong Peng*
Nano Research, 2021, DOI: 10.1007/s12274-021-3837-6
https://link.springer.com/article/10.1007/s12274-021-3837-6
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本文来源：彭尚龙课题组

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