氮掺杂碳纳米管包覆Fe_0.64Ni_0.36@Fe₃NiN核壳结构用于高稳定锌-空气电池

摘要

可逆锌-空气电池因其高功率密度和环境友好性而得到了广泛研究。然而,氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）的缓慢动力学限制了其实际应用。迄今为止,二氧化铱和二氧化钌被认为是氧还原反应的最佳电催化剂,同时铂碳被认为是最有效的氧还原反应的电催化剂。然而,由于Pt、Ir和Ru的天然丰度低、成本高的原因,它们在ZABs中的实际应用严格受限。因此,探索低成本和高性能的双功能催化剂对促进可充电锌-空气电池的发展至关重要。具有高导电性、低氧还原反应能垒的过渡金属合金可作为有潜力的氧还原电催化剂。然而,为提高过渡金属合金催化剂的双功能催化活性,可构筑过渡金属合金@过渡金属氮化物的核壳结构。在此,我们设计了一种氮掺杂碳纳米管包覆Fe_0.64Ni_0.36@Fe₃NiN核壳结构(Fe_0.64Ni_0.36@Fe₃NiN/NCNT)的双功能电催化剂,其具有高效的双功能催化活性。核壳结构可以为ORR/OER产生更多的活性点。Fe_0.64Ni_0.36核具有高导电性,有助于电荷转移。Fe₃NiN壳有助于提升催化剂的OER性能。氮掺杂碳纳米管不仅能够有效增强传质效应和内部电荷传递,还可以提升其电化学活性表面积。此外,具有高抗腐蚀性能的Fe₃NiN外壳可以有效地保护Fe_0.64Ni_0.36内核,从而提高了电化学过程中催化剂的稳定性。氮掺杂碳纳米管对Fe_0.64Ni_0.36@Fe₃NiN核壳结构也具有一定的保护作用,因此Fe_0.64Ni_0.36@Fe₃NiN/NCNT表现出优异的稳定性。Fe_0.64Ni_0.36@Fe₃NiN/NCNT催化剂表现出优异的双功能氧电催化性能,ORR的半波电位为0.88 V,在10mA·cm^-2时的OER过电位为380 mV,以及高电化学稳定性（8 h后电流密度剩余92.8%）。此外,与基于Pt/C+IrO₂ (1 55 mW·cm^-2)和Fe_0.64Ni_0.36/NCNT (89 mW·cm^-2)的锌-空气电池相比,基于Fe_0.64Ni_0.36@FeNiN/NCNT的锌-空气电池展现出更高的功率密度(214 mW·cm^-2),提供781mAh·g^-1的高容量,并展现出了超长的循环稳定性（循环寿命超过1100 h）。我们相信这项工作将对于新型催化剂设计有所启发,从而实现高度稳定和高效的锌-空气电池。

关键词

双功能电催化剂 / Fe₃NiN / 核壳结构 / 锌-空气电池 / 长循环寿命