2022年8月23日，清華大學(xué)主辦的能源學(xué)術(shù)期刊Nano Research Energy（https://www.sciopen.com/journal/2790-8119 ）編委、湘潭大學(xué)劉益江副教授課題組提出一種簡單有效的原位制備Fe₃N和FeCo納米顆粒修飾的雜化碳材料的方法并用于高效氧還原催化反應(yīng)。論文題目為“Metal-coordinated porous polydopamine nanospheres derived Fe₃N-FeCo encapsulated N-doped carbon as a highly efficient electrocatalyst for oxygen reduction reaction”。

圖1. (a) Fe₃N-FeCo@NC的制備示意圖；Fe₃N-FeCo@NC的TEM (b)和HRTEM (c)照片；Fe₃N-FeCo@NC的LSV曲線(d)；基于Fe₃N-FeCo@NC的鋅空電池的功率密度 (e)。

氧還原反應(yīng)(ORR)是金屬空氣電池的重要半反應(yīng)，但是反應(yīng)動力學(xué)遲緩。Pt基催化劑能有效提升ORR動力學(xué)，但存在穩(wěn)定性低、資源緊缺、價格昂貴等問題，限制了金屬空氣電池的商業(yè)化應(yīng)用。因此，開發(fā)非貴金屬ORR催化劑至關(guān)重要。在已開發(fā)的各種非貴金屬催化劑中，金屬氮化物摻雜的碳材料（MN_x-C）因為其高導(dǎo)電性、優(yōu)異的氧還原催化活性和經(jīng)濟(jì)適用性被認(rèn)為是最有可能取代Pt基催化劑的一類材料。其中，氮化鐵（Fe₃N）修飾的碳材料（Fe₃N-C）具有可與Pt/C媲美的ORR催化活性。然而，形成Fe₃N顆粒通常需要高溫氨化，這不僅增加了制備成本也存在安全隱患。如何通過非高溫氨化方法來制備Fe₃N納米顆粒修飾的碳材料并顯著提升其ORR催化活性成為了新的關(guān)注點。

因此，劉益江課題組提出一種簡單有效的原位制備Fe₃N和FeCo納米顆粒修飾的雜化碳材料的方法并用于高效氧還原催化反應(yīng)。首先，通過乳液組裝和自聚合的方法制備了多孔聚多巴胺金屬納米球（如Fe-PDA@Co），隨后利用聚多巴胺、金屬與三聚氰胺的相互作用在聚多巴胺金屬納米球表面包覆三聚氰胺得到Fe-PDA@Co@melamine絡(luò)合物，最后通過高溫?zé)峤獾玫紽e₃N和FeCo修飾的多孔碳球和碳納米片共存的雜化碳材料Fe₃N-FeCo@NC。在本工作中不需要經(jīng)過高溫氨化即可原位形成Fe₃N納米顆粒，這主要得益于乳液組裝和自聚合相結(jié)合的策略，使鐵均勻分散在聚多巴胺多孔球中，同時三聚氰胺與鐵也有相互作用，因此不需要額外的高溫氨化。Fe₃N-FeCo@NC具有較大的比表面積和多級孔結(jié)構(gòu)，同時具有Fe₃N、FeCo、M-N_x等活性種，因此具有優(yōu)異的氧還原電催化活性。在0.1M KOH介質(zhì)中，F(xiàn)e₃N-FeCo@NC的起始電位為1.05 V，半波電位為0.89 V，超過Pt/C的起始電位（0.97 V）和半波電位（0.85 V），也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過參比樣品Fe/NC（前驅(qū)體不含Co和三聚氰胺）和Fe,Co/NC（前驅(qū)體不含三聚氰胺），是目前MN_x-C材料 ORR性能的最高值之一。此外，F(xiàn)e₃N-FeCo@NC的穩(wěn)定性和抗甲醇性能也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過Pt/C?；贔e₃N-FeCo@NC為空氣陰極的鋅空氣電池的開路電壓為1.50 V，功率密度達(dá)141 mW·cm⁻²，比容量為806.6 mAh·g⁻¹Zn，顯著高于Pt/C組裝的電池（開路電壓為1.48 V，功率密度113 mW·cm⁻²，比容量為660.6 mAh·g⁻¹Zn）。同時，基于Fe₃N-FeCo@NC的鋅空氣電池具有優(yōu)異的倍率性能和穩(wěn)定性。以上結(jié)果表明Fe₃N-FeCo@NC是一種高效且穩(wěn)定的ORR電催化劑，有利于推進(jìn)鋅空電池的實際應(yīng)用。

相關(guān)論文信息：

Guo, F. J.; Zhang, M. Y.; Yi, S. C.; Li, X. X.; Xin, R.; Yang, M.; Liu, B.; Chen, H. B.; Li, H. M.; Liu, Y. J. Metal-coordinated porous polydopamine nanospheres derived Fe3N-FeCo encapsulated N-doped carbon as a highly efficient electrocatalyst for oxygen reduction reaction. Nano Res. Energy 2022, 1: e9120027. DOI: 10.26599/NRE.2022.9120027. https://doi.org/10.26599/NRE.2022.9120027 .

作為Nano Research姊妹刊，Nano Research Energy (ISSN: 2791-0091; e-ISSN: 2790-8119; 官網(wǎng): https://www.sciopen.com/journal/2790-8119)于2022年3月創(chuàng)刊，由清華大學(xué)曲良體教授和香港城市大學(xué)支春義教授共同擔(dān)任主編。Nano Research Energy是一本國際化的多學(xué)科交叉，全英文開放獲取期刊，聚焦納米材料和納米科學(xué)技術(shù)在新型能源相關(guān)領(lǐng)域的前沿研究與應(yīng)用，對標(biāo)國際頂級能源期刊，致力于發(fā)表高水平的原創(chuàng)性研究和綜述類論文。2023年之前免收APC費用，歡迎各位老師踴躍投稿。投稿請聯(lián)系：NanoResearchEnergy@tup.tsinghua.edu.cn.