陕科大沈梦霞课题组 CEJ：定向冷冻浇筑和化学气相沉积方法构建纳米纤维素碳气凝胶锚定的单原子催化剂

2023-04-06 来源：高分子科技

水系锌空气电池具有高理论能量密度、高安全性和低成本等优势，在柔性和可穿戴电子设备等领域具有潜在商用价值。锌空气电池正极氧还原反应（ORR）迟滞的反应动力学导致电池放电过程产生较大的过电位，严重影响了电池的实际能量密度。Fe-N_xC单原子催化剂（SAC）既可以最大程度上提高Fe-N_x活性位点的比例，又可以提高对特定反应途径（如四电子ORR）的选择性。但金属原子在高温下烧结极易发生迁移和团聚，形成金属团簇或金属纳米颗粒。此外，碳载体有限或单一的孔隙结构进一步限制了三相界面传质扩散速率和Fe-N_x活性位点的充分利用。纳米纤维素气凝胶是一种结合了传统气凝胶及纤维素本身优良性能的新型材料，具有绿色环保可持续、高孔隙率、大比表面积、低密度等优良特性，可以作为Fe-N_xC SAC的优良载体。然而，如何精确引入金属原子并优化其在气凝胶的空间分布和配位环境仍然是一个重大挑战。

针对上述问题，陕西科技大学“生物质化学与材料”院士创新团队沈梦霞副教授课题组以一维的纤维素纳米纤维（CNF）和高N含量的芳纶纳米纤维（ANF），二维的氧化石墨烯（GO）通过定向冷冻浇铸和冷冻干燥方法，制备出多孔纳米片层相互连接的3D蜂窝状气凝胶。通过CNF和GO表面的大量负电基团吸附低沸点金属Cd，在热解过程中引入二茂铁，通过气相挥发Cd和化学气相沉积Fe的策略制备了具有单原子Fe的分级多孔N掺杂碳气凝胶（Fe-SA@PNC）。由于Fe-SA@PNC高度稳定的蜂窝状形态和多级孔结构，以及碳载体中富含的Fe-N₄位点，Fe-SA@PNC表现出显著的氧还原反应（ORR）活性与稳定性。同时由Fe-SA@PNC组装的锌-空气电池也表现出149 mW cm^-2的峰值功率密度和936 W h kg^-1的能量密度。

图1. Fe-SA@PNC催化剂的制备过程示意图。

图2. CAGO气凝胶的形貌表征。

图3. Fe-SA@PNC的微观形貌表征。

图4. Fe-SA@PNC的物理化学表征。

图5. Fe-SA@PNC的Fe-K边同步辐射X射线吸收谱图和拟合表征。

图6. Fe-SA@PNC的ORR性能表征。

图7. Fe-SA@PNC组装的锌-空气电池性能表征。

相关研究成果以“Chemical vapor deposition strategy for inserting atomic FeN₄ sites into 3D porous honeycomb carbon aerogels as oxygen reduction reaction catalysts in high-performance Zn-air batteries”为题发表在Chemical Engineering Journal上。陕西科技大学沈梦霞副教授、段超副教授和University of New Brunswick/University of Maine倪永浩教授为通讯作者，共同第一作者为陕西科技大学硕士研究生齐佳乐和高昆。感谢国家自然科学基金（No.22108164、No.22178206），陕西省自然科学基金（2021JQ-542），陕西省高层次人才项目等对本工作的大力支持！

文章链接：Chemical vapor deposition strategy for inserting atomic FeN₄ sites into 3D porous honeycomb carbon aerogels as oxygen reduction reaction catalysts in high-performance Zn-air batteries.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142719

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（责任编辑：xu）

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