南科大徐保民&潘暉：鈷原子和四氧化三鈷強強聯合，助力鋅空電池

本文主要由論文第一作者鍾熊偉撰寫。在此，特別感謝南方科技大學徐保民講座教授和澳門大學潘暉副教授團隊的大力支援。謝謝大家對我們的持續關注~

研究背景

隨著電動汽車和大型儲能電源的飛速發展，亟需開發高能量密度和高安全性的電池。其中，鋅空氣電池因具有高能量密度（1086 Wh/kg，高於目前商業鋰電池），成本低和安全性高等優點，能克服目前電動汽車續航里程短和鋰電池易燃等缺點，被認為是下一代具有廣泛應用前景的儲能電池。但是，催化劑的催化效率低和催化劑成本高是鋅空電池發展緩慢的主要因素。同時，單一組分的催化劑目前還不能滿足鋅空電池的要求，所以結合金屬氧化物和單原子催化劑的優點，提出金屬氧化物和單原子協同作用，提高催化活性，克服催化劑缺點，開發新型高效雙功能催化劑應用於鋅空電池備受科研工作者的關注。

研究成果

南方科技大學徐保民講座教授和澳門大學潘暉副教授課題組共同實現了Co單原子同時錨定在四氧化三鈷和多孔活性炭基底，成功得到新型雙功能催化劑應用於鋅空電池。該工作首先透過活化多孔碳球得到高比表面積的活性碳，再利用溼法化學和水熱方法得到單原子鈷和Co3O4， 利用Co單原子和Co3O4的協調作用提高催化劑的氧還原和氧析出催化效能。這是目前首次報道金屬單原子同時錨定在金屬氧化物和碳基底的研究工作，為製備雙功能催化劑開拓新的思路，該工作發表在Applied Catalysis B： Environmental （ Appl。 Cata。 B， 260 （2020） 118188），鍾熊偉和易文迪為本文的共同第一作者。

圖文解析

如圖1所示，透過溼法化學反應和水熱方法，製備單原子鈷同時錨定在Co3O4和多孔活性碳基底的催化劑（Co-Co3O4@NAC）。同時，球差電鏡和同步輻射均證明單原子鈷同時錨定在Co3O4和碳上。

Figure 1。 a） Schematic illustration for the synthesis of Co-Co3O4@NAC， b） SEM， c） TEM and d）， e） HAADF-STEM images of the Co-Co3O4@NAC， f） Co K-edge XANES spectra of Co foil， Co3O4 and Co-Co3O4@NAC。

如圖2所示，透過電化學測試表明：Co-Co3O4@NAC 的氧還原半峰電位為0。795 V，其氧還原過程是四電子過程，並且極低的副產物H2O2的生成，同時氧還原過程中具有很好抗甲醇毒化，防止Co-Co3O4@NAC中毒。Co-Co3O4@NAC具有很好的氧析出催化活性，電流密度達到10 mA/cm2時，過電位僅 380 mV。最終達到氧析出和氧還原的電位差（Ej=10-E1/2）僅為 0。815 V。

Figure 2。 a） ORR polarization curves recorded in O2-saturated 0。1M KOH。 b） Rotating ring-disk electrode （RRDE） voltammogram of Co-Co3O4@NAC。 c） Percentage of peroxide and the electron transfer number based on the RRDE results。 d） Chronoamperometric responses after the addition of methanol。 e） OER LSV curves in O2-saturated 0。1M KOH。 f） The potential gap between Ej=10 - E1/2 of Co-Co3O4@NAC。

Fig。 3。 a） Schematic illustration of ZAB。 b） The optical photograph of ZAB with a high OCV。 c） Discharge curves at various discharge current densities。 d） Galvanostatic charge-discharge cycling performance of a rechargeable Zn-air battery e） corresponding magnified discharge-charge curves。 f） Cycling test of a rechargeable ZAB， g） corresponding magnified charge-discharge curves。

為進一步證明該催化劑的雙功能高催化活性，採用Co-Co3O4@NAC為正極，鋅片為負極組裝鋅空電池。如圖3所示，基於Co-Co3O4@NAC的鋅空電池具有很高的開路電壓和很好的倍率放電效能。二次鋅空電池在充放電時電流密度為5和10 mA/cm2，電壓差僅為0。730 V和0。773 V。

研究小結

該工作中，採用水熱，碳化，活化，溼法化學反應和水熱反應，逐步科學結合多孔活性炭，氮摻雜，單原子催化和金屬氧化物優點。協同單原子金屬，金屬氧化物和氮摻雜碳的作用，大大提高催化劑的氧還原和氧析出活性，以及催化劑穩定性，該文章提出和開闢出新型催化劑合成策略。

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