催化学报 ›› 2023, Vol. 49: 141-151.DOI: 10.1016/S1872-2067(23)64432-8

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P修饰提高Fe-N-C的氧反应活性用于高稳定的锌-空气电池

张光颖a, 刘旭b, 张欣欣a, 梁志坚a, 邢耕宇a, 蔡斌a, 沈迪a, 王蕾a,*(), 付宏刚a,*()   

  1. a黑龙江大学功能无机材料化学教育部重点实验室, 黑龙江哈尔滨 150080
    b东北农业大学文理学院化学系, 黑龙江哈尔滨 150030
  • 收稿日期:2023-01-22 接受日期:2023-03-23 出版日期:2023-06-18 发布日期:2023-06-05
  • 通讯作者: *电子信箱: wanglei0525@hlju.edu.cn (王蕾),fuhg@hlju.edu.cn, fuhg@vip.sina.com (付宏刚).
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(U20A20250);国家自然科学基金(22179034)

Phosphate-decorated Fe-N-C to promote electrocatalytic oxygen reaction activities for highly stable zinc-air batteries

Guangying Zhanga, Xu Liub, Xinxin Zhanga, Zhijian Lianga, Gengyu Xinga, Bin Caia, Di Shena, Lei Wanga,*(), Honggang Fua,*()   

  1. aKey Laboratory of Functional Inorganic Material Chemistry, Ministry of Education, Heilongjiang University, Harbin 150080, Heilongjiang, China
    bDepartment of Chemistry, College of Arts and Science, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, Heilongjiang, China
  • Received:2023-01-22 Accepted:2023-03-23 Online:2023-06-18 Published:2023-06-05
  • Contact: *E-mail: wanglei0525@hlju.edu.cn (L. Wang), fuhg@hlju.edu.cn, fuhg@vip.sina.com (H. Fu).
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(U20A20250);National Natural Science Foundation of China(22179034)

摘要:

生物质碳基材料具有可调的微观结构、丰富的表面活性中心、优良的导电和导热性能以及较大的比表面积, 已经成为新能源领域的重要基础材料. 然而, 应用于锌-空气电池中时, 碳基材料高电位下的碳腐蚀问题严重影响了电池的稳定性, 因此, 开发具有低过电位的析氧反应(OER)催化剂来降低充电电压是解决该问题的关键. 本课题组采用一种低温磷化策略制备了具有低OER过电位的P修饰的Fe3O4/Fe2N和生物质碳复合催化剂(P-Fe3O4/Fe2N@NPC), 其具有较好的双功能氧反应活性, 氧还原反应(ORR)的半波电位为0.86 V, 仅需要280 mV的OER过电位就可以达到10 mA cm‒2的电流密度. 以P-Fe3O4/Fe2N@NPC作为正极组装的锌-空气电池表现出低的充放电电压差和长期稳定性, 在目前报道的碳基催化剂应用于锌-空气电池中具有很大优势. 此外, 采用X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱和氧气程序升温脱附(O2-TPD)等技术研究了磷化对催化剂的结构和催化性能带来的差异原因, 并利用密度泛函理论(DFT)计算研究了催化剂的OER反应机制.

XPS测试结果表明, P-Fe3O4/Fe2N@NPC的P 2p轨道观察到P‒M键、P‒C键和P‒O键, 证实P在碳纳米结构中的成功修饰. Fe 2p XPS谱显示, P的掺入使Fe 2p峰向低结合能方向移动, 这表明P的表面改性改变了金属Fe物种的表面电子构型. 此外, 拉曼光谱结果表明, P掺杂后样品的ID/IG值增加, 说明结构中具有更多的缺陷, 为ORR反应提供更多的催化活性位. O2-TPD结果表明, 两种催化剂在低温区域(<500 oC)表现为表面缺陷上的化学吸附氧, 在高温区域(>500 oC)表现为晶格氧释放, 这说明了催化剂中都存在表面氧空位. 与P-Fe3O4/Fe2N@NPC的脱附氧物种相关的峰值温度低于Fe3O4/Fe2N@NPC, 证明P修饰可以使催化剂具有更好的吸附/脱附氧能力, 进一步降低了吸附氧分子的活化能垒.

利用DFT计算分析了OER活性增强的原因. DOS结果显示, 与位于EV在‒0.543 eV的Fe3O4/Fe2N模型的Fe-3d-t2g相比, 引入P的P-Fe3O4和P-Fe2N模型分别正移到‒0.442和‒0.493 eV (EV = 0为EF(费米能级)), 更接近EF. 这表明, 在电化学反应过程中, 表面P的修饰促进了Fe位点的电子转移能力. 不同模型OER/ORR过程中间体的自由能结果表明, OER的速率决定步骤为*OOH→O2, P-Fe3O4和P-Fe2N模型的速率决定步骤自由能分别为2.25和1.02 eV, 比Fe3O4 (2.36 eV)和Fe2N(1.25 eV)模型更低, 说明P改性降低了驱动OER所需的最小过电位. 综上, P修饰可以调节Fe位点的电子结构, 促进氧中间物的吸附和解吸, 从而改善OER的性能.

关键词: Fe-N-C催化剂, 磷修饰, 氧还原反应, 析氧反应, 锌-空气电池

Abstract:

An obvious challenge for rechargeable Zn-air batteries (ZABs) is the impact of large charge potentials on the oxidation of their cathode catalysts, which accelerates the corrosion of the carbon electrodes, and significantly compromises their stability. It is therefore necessary to design simple methods aimed at facilitating the oxygen evolution reaction (OER) processes of ZABs to suppress the corrosion of their cathode materials. Herein, a biomass-derived N-doped porous carbon material coupled with Fe3O4 and Fe2N nanoparticles and modified with phosphorus (P-Fe3O4/Fe2N@NPC) was designed as an air-cathode to reduce the charging voltage of ZABs. It exhibited excellent ORR/OER bifunctional electrocatalytic activities, and the assembled ZAB displayed an ultra-long service life. DFT calculations showed that the P-modification modulated the electronic state and coordination environment of the active iron atom, thereby significantly enhancing the OER activity of P-Fe3O4/Fe2N@NPC.

Key words: Fe-N-C catalyst, Phosphate-decoration, Oxygen reduction reaction Oxygen evolution reaction, Zinc-air battery