可充電鋅-空氣電池因其高理論能量密度、低成本和環(huán)境友好等優(yōu)勢，被認為是一種前景廣闊的電化學能源技術。然而，其實際應用受到氧析出反應（OER）與氧還原反應（ORR）動力學緩慢的制約，亟需開發(fā)高效的雙功能電催化劑。盡管銥基材料在OER方面具有突出活性，但其ORR性能及整體穩(wěn)定性仍難以滿足可逆充放電要求。近年來，研究聚焦于通過載體工程調控金屬-載體相互作用以提升催化性能，其中氮摻雜多孔碳材料憑借其可調的電子特性、高比表面積和豐富的缺陷結構，為負載Ir納米顆粒并增強其雙功能催化活性提供了理想載體平臺。
中國科學院福建物質結構研究所曹榮/曹敏納、福建農(nóng)林大學游晗暉團隊報道了一種氮摻雜多孔碳負載的銥納米顆粒催化劑（Ir-NHC），通過強金屬-載體相互作用有效調控了銥納米顆粒的尺寸與電子結構，原位X射線吸收精細結構分析表明，該相互作用優(yōu)化了反應中間體的吸附行為及銥的電子態(tài)，從而顯著提升了其在析氧反應（OER）和氧還原反應（ORR）中的雙功能催化性能。基于Ir-NHC組裝的鋅-空氣電池展現(xiàn)顯著優(yōu)于商業(yè)Pt/C+Ir/C催化劑的催化性能。該研究為開發(fā)高效、穩(wěn)定的金屬-空氣電池催化劑提供了重要借鑒。
圖1：a）Ir-NHC 1000合成流程示意圖。b和c）Ir-NHC 1000和在（c）的中所選矩形區(qū)域的TEM和HR-TEM圖像。d）和e）Ir-NHC1000的高角度環(huán)形暗場（HAADF）-STEM圖像及和相應的Ir，N，O元素圖譜。
圖2. a) Ir-NHC700、Ir-NHC800、Ir-NHC900、Ir-NHC1000和Ir/C的OER LSV曲線。b) Ir-NHC700、Ir-NHC800、Ir-NHC900、Ir-NHC1000和Ir/C的相應塔菲爾斜率。c) 在5 mA cm?2恒定電流密度下Ir-NHC1000的計時電位測試。約25小時和50小時處的電壓變化是由于更新測量設備所致。
圖3. a) Ir-NHC1000和NHC1000的C 1s XPS光譜。b-d) NHC1000和Ir-NHC1000的C、N和O的 K邊XANES譜。(c)和(d)中的虛線顯示了NHC1000與Ir-NHC1000之間主要吸收峰的位移。
圖4. a) Ir、IrO?以及Ir-NHC1000在0、1.2、1.3、1.4、1.5和1.6 V下的Ir L?邊XANES譜。b) Ir-NHC1000的Ir L?邊XANES曲線。 c) Ir-NHC1000的白線面積與平均Ir氧化數(shù)的線性關系圖。 d) Ir、IrO?以及Ir-NHC1000在0、1.2、1.3、1.4、1.5和1.6 V下的R空間Ir L?邊EXAFS譜。e) Ir、IrO?以及Ir-NHC1000在0、1.2、1.3、1.4、1.5和1.6 V下k?加權EXAFS的Ir L?邊小波變換。
圖5. a) 鋅-空氣電池示意圖。b) 基于Ir-NHC1000的可充電鋅-空氣電池在20 mA cm?2下的長時間放電曲線。c) Ir-NHC1000放電-充電曲線。d) Ir-NHC1000在10 mA cm?2下的200小時放電-充電循環(huán)曲線。e) 鋅-空氣電池的極化曲線和相應的功率密度曲線。f 和 g) 使用Ir-NHC1000在10 mA cm?2下的第1次和第2000次放電-充電循環(huán)曲線。
該工作通過對氮摻雜多孔碳載體的調控，實現(xiàn)了對銥納米顆粒尺寸與電子結構的精準優(yōu)化，并借助Ir–C、Ir–N/O強金屬-載體相互作用顯著提升了其在析氧與氧還原反應中的雙功能催化性能。所獲得的Ir-NHC1000材料在鋅-空氣電池中表現(xiàn)出高達862.5 mAh g?1的比容量和長達2000次循環(huán)的優(yōu)異穩(wěn)定性，性能遠超商業(yè)催化劑。該工作系統(tǒng)闡明了金屬-載體相互作用在調控催化活性與穩(wěn)定性中的關鍵作用，為設計高效、穩(wěn)定的金屬-空氣電池催化劑提供了理論依據(jù)與材料策略。
論文信息
Enhanced Bifunctional Catalysis of Iridium Nanoparticles on Nitrogen-Doped Holey Carbon via Strong Metal–Support Interaction for Rechargeable Zinc–Air Batteries
Dr. Hanhui You, Yifan Xu, Tao Shao, Dr. Dongshuang Wu, Dr. Fanfei Sun, Prof. Rong Cao, Prof. Minna Cao
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202514873
