磷掺杂镍铁氮碳材料的制备及其锌空气电池应用研究

背景介绍在对化石燃料使用日益增长的今天，能源需求和环境问题迫使现代社会对经济、可持续和生态友好的能源技术进行全方位的研究，如燃料电池、金属-空气电池等。其中氧气还原反应（ORR）和氧气析出反应（OER）是金属-空气电池和其他可再生能源技术的关键反应。两个关键反应涉及多步质子耦合及电子转移过程，该过程动力学迟缓，严重制约了清洁能源利用和技术的发展。文章亮点1.本文构建了具有高活性中心的磷掺杂二元金属氮碳材料，具有较高的ORR活性；2.该工作为磷原子掺杂的二元金属氮碳ORR催化剂的理性设计合成提供了一定依据，进一步促进了实际应用中电催化材料的发展。内容简介1

实验部分1.1

主要仪器与试剂1.2

氮磷双掺杂镍铁基多孔碳材料（P-NiFe-NC）的合成图1

2-（三苯基膦）溴化镍结构图利用简单的水热和热解的方法，在180℃下利用甲酰胺的脱水缩合反应以及N原子对过渡金属的螯合稳定作用，采用2-(三苯基膦)溴化镍作为磷源，在水热条件下进行材料合成及液相磷化。之后通过900℃高温焙烧完成材料碳化。1.3

电化学性能测试使用三电极测试系统进行电化学测量，三电极系统中对电极为铂丝电极，参比电极为饱和甘汞电极（SCE），工作电极为滴涂有不同催化剂样品的玻碳电极（GCE）电极。1.4

锌-空气电池（ZAB）性能测试1.4.1

锌-空气电池催化剂层的制备亲水性催化剂层按照以下方法制备：将疏水碳纸与模具空气电极一侧的通气孔对齐，标注1cm×1cm作为催化剂的反应面积；将100

μL上述制备的滴涂催化剂的溶液Ink均匀滴涂在空气电极的反应面积之中。1.4.2

锌-空气电池的组装与测试锌板（尺寸为85×34×0.5mm3）用作锌-空气电池阳极。阴极由疏水性气体扩散层（Gas-DiffusionLayer，GDL）和亲水性催化剂层组成。2

结果与讨论2.1

磷掺杂镍铁氮碳碳材料P-NiFe-NC的表征为证明P-NiFe-NC材料形貌及各元素的分散情况，进行了TEM表征以及元素能谱扫描，如图2所示。a.P-NiFe-NC的TEM图；b.P-NiFe-NC的HR-TEM图；c.

P-NiFe-NC的HAADF图及元素能谱扫描图；d.

样品的XRD图图2

P-NiFe-NC的表征图2.2

P-NiFe-NC性能测试2.2.1

P-NiFe-NC电化学性能测试对在进行所有电催化测量之前，由于材料本身存在大量吡咯氮，以及2-（三苯基膦）溴化镍存在苯环结构的原因，猜测材料本身具有更大的电化学比表面积（ECSA），对P-NiFe-NC与NiFe-NC的ECSA进行比较。如图3所示。a.

电化学比表面积图，测试电位为0.20V；b.ORR极化曲线；c.Tafel斜率曲线；d.

K-L

plots

转移电子数曲线；e.

抗甲醇测试曲线；f.

稳定性测试曲线图3

P-NiFe-NC电化学性能结果图2.2.2

P-NiFe-NC锌空气电池性能测试使用P-NiFe-NC作为阴极催化剂构建了可充电锌空气电池（ZAB），以评估催化剂的双功能催化活性（如图4所示）。a.

开路电压测量；b.

锌-空气电池示意图；c.

充电/放电极化曲线和功率密度；d.

不同电流密度下的充放电倍率性能测试；e.

电流密度为20mA/cm2时的长期循环性能图4

P-NiFe-NC锌空气电池性能结果图3

结论本文报道了一种磷掺杂Ni/Fe氮碳材料（P-NiFe-NC）的合成方法，通过与类似条件下合成的无磷掺杂的镍铁氮