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南洋理工/海大AFM：理解鈷單原子和小納米粒子的協(xié)同效應(yīng)：提高鋅-空電池的氧還原反應(yīng)催化活性和穩(wěn)定性

開發(fā)具有高催化活性、良好穩(wěn)定性和資源豐富的氧還原反應(yīng)（ORR）催化劑用于實用的金屬-空氣電池仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

新加坡南洋理工大學(xué)Zheng Liu、Xuehong Lu、海南大學(xué)Yipu Liu等人報道了一種高效且耐用的ORR催化劑（Co-SAs/SNPs@NC），它由以Co-N₄形式存在的原子分散的Co 單原子（Co-SAs）和共錨定在氮摻雜多孔碳納米籠上的小 Co納米粒子（Co-SNPs）組成。

Co-SNPs可以有助于石墨層的形成，石墨層也可以作為Co-N₄位點的載體，而不會犧牲碳載體的高度多孔結(jié)構(gòu)。

得益于Co-SAs和Co-SNPs的協(xié)同作用以及石墨化程度提高帶來的碳基體抗腐蝕性能增強，所得的Co-SAs/SNPs@NC催化劑在堿性條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的ORR活性和顯著的穩(wěn)定性，性能優(yōu)于Co-SAs基催化劑 (Co-SAs@NC)和Pt/C催化劑。

密度泛函理論計算表明，Co-SNPs和 Co-N₄位點之間的強相互作用可以增加Co-SAs/SNPs@NC中活性Co原子的價態(tài)，并降低ORR中間體的吸附自由能，從而促進O₂的還原。

圖1 材料制備及表征

此外，采用Co-SAs/SNPs@NC催化劑組裝的實用鋅-空電池顯示出223.5 mW cm^-2的最大功率密度、在50 mA cm^-2下742 Wh kg^-1的高比容量和優(yōu)越的循環(huán)穩(wěn)定性能。

該研究中發(fā)現(xiàn)的Co-SAs和Co-SNPs之間的強協(xié)同效應(yīng)表明，通過精確控制Co-SAs/Co-SNPs的比例，有可能通過優(yōu)化進一步提高Co基電催化劑的ORR性能。

圖2 鋅-空電池性能

Understanding the Synergistic Effects of Cobalt Single Atoms and Small Nanoparticles: Enhancing Oxygen Reduction Reaction Catalytic Activity and Stability for Zinc-Air Batteries. Advanced Functional Materials 2021. DOI: 10.1002/adfm.202104735

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