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陳忠偉/劉桂華/武蘭蘭Adv. Sci.：用于鋅空氣電池的高效耐用ORR電催化劑

金屬氧化物負(fù)載的非貴金屬的合理設(shè)計(jì)對(duì)于開(kāi)發(fā)穩(wěn)定高效的氧還原反應(yīng)（ORR）電催化劑至關(guān)重要。3D有序大孔（3DOM）材料具有比表面積大、傳質(zhì)效率高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)發(fā)具有大孔結(jié)構(gòu)的缺氧金屬氧化物載體復(fù)合材料是設(shè)計(jì)高效、耐用的ORR催化劑的一種很有前途的策略。

在此，加拿大滑鐵盧大學(xué)陳忠偉院士及河北工業(yè)大學(xué)劉桂華、武蘭蘭等人開(kāi)發(fā)了一種高效的ORR催化劑（3DOM Fe/Co@NC-WO_2-x），該催化劑由缺陷氧化鎢支撐的二元Fe/Co納米團(tuán)簇和具有3D有序大孔結(jié)構(gòu)的嵌入N摻雜碳層（NC）組成。3DOM架構(gòu)設(shè)計(jì)不僅提供了高表面積以暴露活性位點(diǎn)，而且還加速了固體-電解質(zhì)-氣體反應(yīng)界面處的質(zhì)量傳輸。

NC-WO_2-x載體提高了催化劑的導(dǎo)電性，同時(shí)為負(fù)載的Fe/Co納米團(tuán)簇提供了豐富的錨定位點(diǎn)。拉曼、電子順磁共振 (EPR) 和XPS分析證明，與未經(jīng)氨處理的樣品（3DOM Fe/Co@C-WO_2-x）相比，氨處理會(huì)導(dǎo)致更多缺陷從而提高ORR活性。

圖1. 3DOM Fe/Co@NC-WO_2-x組裝的鋅空氣電池性能

此外，理論計(jì)算表明，在負(fù)載的Fe/Co二元簇中，電子從Fe轉(zhuǎn)移到Co存在協(xié)同效應(yīng)，促進(jìn)了ORR反應(yīng)的能量學(xué)。因此，3DOM Fe/Co@NC-WO_2-x催化劑在堿性介質(zhì)中表現(xiàn)出優(yōu)異的ORR活性，其半波電位（E_1/2）比Pt/C（0.85 V）高0.87 V。

基于3DOM Fe/Co@NC-WO_2-x組裝的鋅空氣電池正極提供比Pt/C更高的功率密度（165.1 mW cm^-2）和比容量（757 mAh g^-1），組裝的柔性鋅空氣電池可提供28.2 mW cm^-2的峰值功率密度，表明其在實(shí)際應(yīng)用中的潛力。本文提供了一種結(jié)合協(xié)同二元金屬納米團(tuán)簇和導(dǎo)電金屬氧化物載體設(shè)計(jì)的新策略，以開(kāi)發(fā)高效耐用的ORR電催化劑。

圖2. 柔性鋅空氣電池的結(jié)構(gòu)及性能

Synergistic Binary Fe–Co Nanocluster Supported on Defective Tungsten Oxide as Efficient Oxygen Reduction Electrocatalyst in Zinc-Air Battery, Advanced Science 2021. DOI: 10.1002/advs.202104237

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