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Small Methods孫靈娜團隊在利用原子層沉積技術制備高效的鋅空氣電池陰極催化材料方面取得進展

來源：深圳大學 2022-07-04

導讀：近日，深圳大學化學與環境工程學院孫靈娜教授團隊在《Small Methods》（影響因子14.188，中科院JCR 1區）上發表題為《Defective Fe3O4-x Few-Atom Clusters Anchored on Nitrogen-Doped Carbon as Efficient Oxygen Reduction Electrocatalysts for High-Performance Zinc–Air Batteries》的研究論文。該團隊的褚盼盼碩士研究生和張穎朦研究員為共同第一作者，深圳大學孫靈娜教授與加利福尼亞大學陳少偉教授為共同通訊作者，深圳大學為第一通訊單位。

鋅空氣電池（ZAB）因金屬鋅儲量豐富、價格低廉，以及在理論能量密度（1086 Wh kg-1）和安全性等方面的優勢，被譽為是新一代的綠色能源技術。但是鋅空氣電池的實際應用受限于氧還原反應（ORR）和氧析出反應（OER）緩慢的反應動力學。貴金屬基催化材料雖然具有不錯的ORR和OER性能，但因其儲量稀缺、價格昂貴和穩定性差，仍然無法滿足實際的應用需求。因此需要開發高效穩定的非貴金屬基催化材料作為鋅空氣電池的空氣陰極催化劑。

鑒于此，深圳大學孫靈娜教授課題組聯合加州大學陳少偉教授課題組，以Zn-ZIF為模板，使用等離子體增強原子層沉積技術在ZIF上沉積一層原子級厚度的Fe3O4，隨后經過1000 ℃的可控熱解處理，Fe3O4轉化為具有豐富氧空位的 Fe3O4-x 團簇，并錨定在Zn-ZIF衍生的氮摻雜碳框架上。優化條件所制備的納米復合物（Fe3O4-x/NC-1000）在堿性和酸性介質中均表現出優異的氧還原性能（堿性介質中半波電位可達0.930 V vs. RHE）、長循環性能和抗甲醇毒化作用。如此優異的ORR性能主要歸因于：1、原子級厚度的Fe3O4沉積在二維Zn-ZIF上，使得后續處理所得的缺陷 Fe3O4-x在碳骨架上富集，活性位點得到了充分的暴露；2、氧空位對導電性、氧吸附能力以及電子轉移動力學的提升；3、具有電荷再分布作用的氮摻雜石墨化碳，既可以作為質子和電子轉移的良好媒介，又可以作為錨定 Fe3O4-x團簇的基體。鑒于Fe3O4-x/NC-1000具有優異的ORR性能，將其作為鋅空氣電池的空氣陰極催化劑層，具有高達158 mW cm-2的能量密度，在5 mA cm-2電流密度下可以超過600小時穩定充放電循環2000圈。