NML研究文章|中空纳米笼NixCo1-xSe: 高效锌空气电池和全水分解催化剂

Hollow Nanocages of NixCo1-xSe for Efficient Zinc-Air Batteries and Overall Water Splitting

Zhengxin Qian, Yinghuan Chen, Zhenghua Tang, Zhen Liu, Xiufang Wang, Yong Tian and Wei Gao

Nano-Micro Lett. (2019) 11: 28

https://doi.org/10.1007/s40820-019-0258-0

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   华南理工大学唐正华课题组联合广东药科大学田勇课题组、高伟课题组

首次对硒化镍钴进行形貌功能导向设计,制备了具有中空纳米笼结构的NixCo1-xSe材料

首先以立方体Cu2O为模板,通过HSAB (Pearson’shard and soft acid−base) 原理制备了纳米笼NixCo1-x(OH)2前驱体,最后通过水热步骤进行硒化处理,制备了NixCo1-xSe中空纳米笼。

通过调控不同过渡金属原子比例,进一步优化了其电催化性能。通过实验和理论计算发现,Ni0.2Co0.8Se具有优异的OER,HER和ORR性能,作为可充与全固态锌空电池和全水分解催化剂时,表现出了良好的循环寿命和优于Pt/C+RuO2的水分解性能。

    本文亮点    

1  提出了一种简便的制备NixCo1-xSe中空纳米笼的方法,并对其形成机理进行了明确的解析。

2  Ni0.2Co0.8Se在可充和全固态锌空气电池测试以及全水分解方面具有优异的性能,超过了Pt/C+RuO2催化剂。

3  模拟了氢在NixCo1-xSe上的吸附,并计算了其吉布斯吸附自由能。

         研究背景        

   锌空气电池(ZAB)& 全水分解(Overall Water Splitting)

锌空气电池(ZAB)和全水分解(Overall Water Splitting)是目前广受关注的可行的绿色能源技术。锌空气电池具有高的理论能量密度、性价比高和环境友好等优点,全水分解可制备高纯氢气。

   析氧反应(OER)和氧还原反应(ORR)

析氧反应(OER)和氧还原反应(ORR)是锌空电池空气电极上的关键可逆反应,它们在很大程度上决定了锌空电池的能量转换效率,而析氧反应(OER)与析氢反应(HER)是催化全水分解的两个半反应。

   铂基材料

铂基材料是目前最好的ORR与HER反应催化剂,而IrO2,RuO2是公认的高效OER催化剂。然而,这些材料的大规模商业化应用都因贵金属的稀缺性、高成本和稳定性不佳而受到极大的阻碍。因此,研究开发新型高效,廉价,稳定性高的双功能催化剂用于锌空电池和全水分解很有必要。

   过渡金属硫族化合物(TMCs)

过渡金属硫族化合物(TMCs)由于其易得、低成本、对环境友好等优点,近年来受到了越来越多的关注。特别是,相对于氧或硫,硒本身就有一定的金属性(导电性)使得过渡金属硒化物电催化性能也更好。

   过渡金属硒化物

过渡金属硒化物在电催化领域已经多有报道。硒化钴,硒化镍,硒化铁钴,硒化铁镍尤其是硒化镍钴等都被用于了催化ORR,OER,HER等反应并表现出了良好的性能。

在过渡金属合金中,镍和钴具有很好的合金化效应,因而硒化镍钴被制备成纳米杆,三维纳米片等用于OER,HER与全水分解等,但是其性能表现一般,稳定性也有待提升。主要是这些结构没有足够的活性位点的暴露,另外镍钴的比例也没有很好的优化使得合金化效应达到最大,这样最终也无法建立起硒化镍钴的结构参数与催化性能的构效关系。

      图文导读     

中空纳米笼Ni0.2Co0.8Se的结构和形貌

TEM图清晰的显示了Ni0.2Co0.8Se的中空立方体结构,保留了氢氧化物的富边缘结构,且完全没有团聚现象。中空富边缘结构不仅促进了电化学传质效应且能增强电催化活性,高的比表面积暴露了更多的活性位点。

HR-TEM的晶格间距与XRD数据相对应,元素分布图显示Ni, Co, Se元素分布均匀,验证了中空纳米笼Ni0.2Co0.8Se的成功制备。

图2(a,b)TEM图;(c)HR-TEM图;(d, e, f, g)元素分布图。

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Ni0.2Co0.8Se用于锌空电池的性能测试

Ni0.2Co0.8Se用作可充电锌空电池阴极材料时,恒流充放电曲线展现出优异的稳定性,50个小时的充放电几乎没有衰减趋势,且优于PtC+RuO2的功率密度。全固态锌空电池的恒流充放电曲线,功率密度曲线也展现了其优异的稳定性,高的功率密度(223.5 mW/cm2),以及较高的开路电压(1.428 V)。

图5 可充电锌空电池和全固态锌空电池性能:(a)可充电锌空电池的恒流充放电循环曲线;(b)充放电极化曲线;(c)功率密度;(d)全固态锌空电池的结构示意图;(e)全固态锌空电池充放电循环曲线;(f)充放电极化曲线;(g)功率密度;(h)开路电压;(i)全固态锌空电池点亮LED灯电路板。

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Ni2Co0.8Se用于全水分解测试

图6显示了Ni0.2Co0.8Se用于全水分解时的优异性能,极化曲线展现了低于PtC+RuO2的电压(V)。水分解稳定性测试也表现良好,插图为电极上析出的氢气和氧气。

图6 Ni0.2Co0.8Se整体水裂解测试图:(a)两电极系统用于整体水裂解的极化曲线;(b)电流密度10 mA cm-2对应的电压下的稳定性测试

作者简介

唐正华

(本文通讯作者)

副教授

华南理工大学环境能源学院

主要研究方向:

贵金属纳米团簇的精准控制合成以及催化应用面向燃料电池与金属空气电池的新型高效电催化剂的开发与应用

E-mail: zhht@scut.edu.cn

主页链接:

http://www2.scut.edu.cn/cese/2019/0319/c1530a310771/page.htm

田勇

(本文通讯作者)

教授

广东药科大学药学院

主要研究方向:

环境响应有序介孔炭/生物大分子蛋白药物微系统的制备及可控释放规律研究。

E-mail: tian_yong_tian@163.com

高伟

(本文通讯作者)

教授

广东药科大学药学院

主要研究方向:

碳基材料的制备与载药性能研究,密度泛函理论计算等。

E-mail: gygaowei@126.com

钱政鑫

(本文第一作者)

硕士研究生

 广东药科大学

主要研究方向:

电催化,锌空电池及水分解等

E-mail: tonysmith10@yeah.net

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