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北理/南華/海大?JMCA：氟和磷原子協(xié)同作用！提高催化劑的氧還原性能

近年來(lái)，由于化石燃料的消耗導(dǎo)致的碳排放和潛在的能源危機(jī)，引起了世界各國(guó)和人民對(duì)新能源和新能源的利用方式的重視。質(zhì)子交換膜燃料電池和鋅-空氣電池作為新一代可持續(xù)、清潔、高效的儲(chǔ)能裝置備受關(guān)注，然而陰極氧還原反應(yīng)(ORR)的多電子過(guò)程導(dǎo)致的緩慢動(dòng)力學(xué)限制了這些裝置的輸出性能。

目前，鉑基催化劑被廣泛作為這些商業(yè)裝置的ORR催化劑，但是Pt較差的穩(wěn)定性、昂貴的價(jià)格等缺點(diǎn)阻礙了其被大規(guī)模商業(yè)化。因此，迫切需要開發(fā)高效的非貴金屬催化劑來(lái)替代Pt。

基于此，北京理工大學(xué)Chi Bin、南華大學(xué)鄧怡杰和海南大學(xué)田新龍(共同通訊)等人開發(fā)了一種簡(jiǎn)單有效的策略，在植酸的作用下，通過(guò)熱解聚3-氟苯胺和g-C₃N₄的混合物，制備了氮摻雜碳耦合氟和磷原子的催化劑。

本文采用循環(huán)伏安法(CV)和線性掃描伏安法(LSV)測(cè)試了催化劑在N₂或O₂飽和的0.1 M KOH中的電催化活性。測(cè)試結(jié)果表明，F(xiàn)/P-N-C-950在0.1 M KOH溶液中的還原峰電位約為0.86 V_RHE，表現(xiàn)出優(yōu)異的氧還原性能。此外，根據(jù)催化劑的LSV曲線可以發(fā)現(xiàn)，N-C-950催化劑表現(xiàn)出較差的催化活性，半波電位僅為0.61 V，低于F-N-C-950(0.767 V)和P-N-C-950(0.723 V)，這也表明單獨(dú)摻雜F或P均有積極作用。

更重要的是，當(dāng)F和P同時(shí)摻雜時(shí)，催化劑的性能大大提高，F(xiàn)/P-N-C-950的半波電位最高，為0.848 V，不僅超過(guò)了商業(yè)Pt/C，F(xiàn)/P-N-C-950也成為目前報(bào)道的最好的非金屬碳氧還原催化劑之一。

值得注意的是，本文還研究了不同比例的植酸對(duì)催化劑電催化性能的影響，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)植酸、聚3-氟苯胺和C₃N₄的最佳比例為1:1:1。之后，本文通過(guò)計(jì)時(shí)安培法測(cè)試了F/P-N-C-950的穩(wěn)定性，F(xiàn)/P-N-C-950的電流密度在測(cè)試40000 s后緩慢衰減到初始電流密度的94%，這表明F/PN-C-950催化劑具有良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

本文考慮到F/P-N-C-950優(yōu)異的ORR催化性能，研究了以F/P-N-C-950為陰極催化劑的鋅-空氣電池的放電性能。當(dāng)F/P-N-C-950催化劑作為鋅-空氣電池電池的陰極時(shí)，開路電壓可以達(dá)到1.505 V，略高于Pt/C(1.502 V)，基于F/P-N-C-950的鋅-空氣電池還成功點(diǎn)亮了紅色發(fā)光二極管。

更重要的是，F(xiàn)/P-N-C-950的最大功率密度為138 mW·cm^-2，與Pt/C(139 mW·cm^-2)相當(dāng)，當(dāng)F/P-N-C-950在20 mA·cm^-2的恒定電流密度下進(jìn)行的放電實(shí)驗(yàn)時(shí)，其比容量高達(dá)821 mA·g^-1，優(yōu)于Pt/C(754 mA·g^-1)，這表明F/P-N-C-950具有一定的實(shí)際應(yīng)用潛力。據(jù)研究所知，這是性能最好的鋅-空氣電池的陰極催化劑之一。

總之，本文合成了一種F，P耦合分層多孔氮摻雜碳的鋅-空氣電池的陰極催化劑，研究發(fā)現(xiàn)F、P的同時(shí)摻雜增加了催化劑的活性位點(diǎn)，而g-C₃N₄作為模板加速了介孔結(jié)構(gòu)的形成。本工作也為制備用于可再生能源裝置的高性能非金屬電催化劑提供了新的策略。

Fluorine and phosphorus atoms cooperated on N-doped 3D porous carbon network with enhanced ORR performance toward the zinc-air batteries, Journal of Materials Chemistry A, 2023, DOI: 10.1039/d2ta09792c.

https://doi.org/10.1039/D2TA09792C.

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