聚苯胺衍生分层纳米碳材料，用于锌空气电池

摘要：含氮纳米碳材料在氧气电催化和金属空气电池中发挥着关键催化剂作用。同时提高氮掺杂水平和石墨化程度对于提升催化性能和长期稳定性至关重要。本文，绍兴文理学院何冰副教授团队在《Energy Fuels》期刊发表名为“Mechanochemical Synthesis

1成果简介

含氮纳米碳材料在氧气电催化和金属空气电池中发挥着关键催化剂作用。同时提高氮掺杂水平和石墨化程度对于提升催化性能和长期稳定性至关重要。本文，绍兴文理学院何冰副教授团队在《Energy Fuels》期刊发表名为“Mechanochemical Synthesis of Polyaniline-Derived, Graphitized Hierarchical Nanocarbons for Efficient Oxygen Electrocatalysis and Zn-Air Batteries”的论文，研究提出一种新的机械化学聚合串联碳化策略，用于设计含氮三维分级结构纳米碳材料（N-HNCs），该材料通过初级二维纳米碳构建单元自下而上的堆叠构建而成。合成过程包括：以无水FeCl3为引发剂进行苯胺（ANI）的机械化学聚合，对所得聚苯胺（PANI）进行可控碳化，以及通过酸蚀去除铁物种。

所得N-HNCs具有：巨大的布鲁纳-埃米特-泰勒（BET）比表面积（240-988 m²/g）、增强的石墨化程度、可调结构的高氮含量、丰富的质量传输纳米通道以及适用于离子扩散的多功能界面。因此，N-HNCs被用作氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）中高效且持久的电催化剂。例如，在ORR中，N-HNCs呈现出类似Pt/C的半波电位（0.846 V），在无金属电催化剂中表现突出。该材料还可制备为可充电流动式柔性锌空气电池（ZABs）的空气阴极，展现出高功率密度（185.1 mW·cm–2）、高比容量（808.17 mAh·gZn–1）、具备卓越的长期循环稳定性（>400小时），并在5 mA·cm⁻²电流密度下实现60.8%的往返能量转换效率。

2图文导读

图1. (a) Schematic illustration for the synthesis of the N-HNCs; (b) XRD patterns; (c) Raman spectra; (d) N2 isotherms; (e) pore size distribution of the N-HNC samples.

图2. (a, b) SEM images, (c) TEM image; (d) high-resolution TEM image; (e) HAADF-STEM image together with (f–h) elemental maps of C, N, and O of the N-HNC-800 sample; (i) N 1s and (j) pyridinic N, pyrrolic N, and graphitic N ratio of the N-HNC samples.

图3. (a) LSV curves in O2 saturated 0.1 M KOH on the rotating disk electrode (1600 rpm); (b) Tafel slopes and (c) E1/2 and Jk@0.85 V results of the N-HNCs and commercial Pt/C; (d) LSV curve; (e) H2O2 yield together with the electron transfer numbers of the N-HNC-800; (f) durability testing and methanol resistance of the N-HNC-800 and Pt/C; (g) the OER polarization curves of the N-HNCs; (h) Tafel slope for N-HNCs and RuO2; (i) LSV polarization curves for ORR and OER activity of the N-HNCs and Pt/C.

图4. (a) Diagram of assembled ZABs; (b) open circuit potential; (c) LEDs driven by assembled ZABs; (d) power density curves; (e) galvanostatic discharge curves at various current densities; (f) galvanostatic discharge curves at 5 mA cm–2; (g) discharge–charge cycling curves at 5 mA cm–2; (h) open circuit potential; (i) discharge–charge cycling curves of the N-HNC-800 and Pt/C + RuO2-based quasi-solid-state flexible ZABs at 2 mA cm–2 and (j) discharge and charge cycling curves of the N-HNC-800 based flexible ZABs at different bending states.

3小结

本文开发了一种新型机械化学聚合法，以FeCl₃为引发剂合成导电PANI。该PANI前驱体的直接碳化反应生成具有分级结构的含氮纳米碳材料N-HNCs，其石墨化框架具有可调的氮含量。初级二维石墨化碳纳米片经随机堆积形成三级三维分级多孔结构，兼具卓越导电性、大比表面积、丰富质量传输纳米通道及可调离子扩散界面。所得N-HNCs展现出媲美Pt/C和RuO₂基准材料的氧气电催化性能，且显著优于多数已报道的无金属碳催化剂。因此，N-HNCs可作为液态和固态电解质中可充电ZABs的高性能空气阴极。组装ZABs的主要性能参数——最大功率密度、比容量、长期循环耐久性及高往返能量效率——甚至超越了商业化的Pt/C串联RuO2电催化剂驱动的ZABs，后者在无金属电催化材料中本已表现卓越。本研究为开发高效稳定的纳米碳材料在电化学储能/转换系统中的应用开辟了新途径，从而确立了具有广阔前景的功能性纳米碳材料设计新原则。

文献：