水合肼(夏宝玉团队最新ACS nano，水合肼燃料电池新进展)

Posted 2023-05-30

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水合肼(夏宝玉团队最新ACS nano，水合肼燃料电池新进展)

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第一作者： Ya Yan, Jun-Ye Zhang, Xue-Rong Shi

通讯作者：王现英，夏宝玉

通讯单位：中科院上海硅酸盐研究所，华中科技大学

DOI： https://doi.org/10.1021/acsnano.1c02440

全文速览

水合肼燃料电池是一种有前途的可持续能源技术。然而，贵金属催化剂的价格和储量阻碍了该技术的实际应用。为了说明纳米结构非贵金属电催化剂改进的扩散/反应动力学，作者报道了一种高效的沸石-咪唑骨架衍生的三功能电催化剂，用于肼氧化、氧气和过氧化氢还原。实验结果和理论计算证实了具有丰富 Co-N 物种的纳米碳结构增强了电子相互作用并优化了阳极肼氧化和阴极氧还原的能垒。组装的肼氧燃料电池的电池电压和功率密度分别为 0.74 V 和 20.5 mW cm-2。此外，得益于液-液扩散，肼-过氧化氢电池显示出更高的电池电压和功率密度，为 1.68 V 和 41.0 mW cm-2。这项工作提供了一种高活性的非贵金属多功能电催化剂，开创性地在液体电化学电池中应用了扩散原理提升性能。

背景介绍

不断增长的能源需求最终引发了对可持续能源转换技术的需求。因此，不依赖化石燃料的替代能源正受到广泛关注。在可再生能源技术中，肼燃料电池因其高理论功率密度有广泛前景。然而，肼燃料电池中涉及的电化学反应缓慢的反应动力学和有限的扩散特性降低了整体电池性能。

非贵金属电催化剂是电化学反应中贵金属催化剂的潜在替代品。有利于催化的结构设计将提高过渡金属复合材料在肼燃料电池的活性。最近，沸石-咪唑骨架（ZIF）经常被用于合成高活性过渡金属/纳米碳电催化剂，其中丰富的金属-氮-碳物种是氧还原的活性位点。然而，这些 ZIF 衍生的纳米催化剂在肼氧化中表现出较差活性。此外，肼-氧 (N2H4-O2) 燃料电池的功率/电流密度也完全受到液体电池中缓慢的气液扩散动力学的影响。与水电解质中有限的气液扩散动力学相比，均相液-液扩散是加速电催化和提高电池性能的不错选择。因此，合理设计具有更快扩散动力学的多功能电催化剂将具有重要意义。

图文解析

图1. (a) NC@Co/NC 多面体的合成示意图。 (b、c) SEM、(d、e) TEM 和 (f) 高分辨率 (HR) TEM 图像。

图2. NC、Co/NC 和 NC@Co/NC样品的(a) XRD 图，(b) N2 吸附等温线，(c) 孔径分布曲线，(d) 高分辨率 N 1s XPS 光谱，(e) 相应的 N 物质含量比较， (f) 拉曼光谱。

图3. (a) NC@Co/NC在不同肼浓度下测试的CV 曲线。(b) NC@Co/NC、Co/NC、NC 和 Pt/C 在 0.1 M PBS+50 mM 肼中的 HzOR CV 曲线。(c) 0.1 M KOH 中 ORR 的 LSV 曲线。(d) NC@Co/NC 在不同转速下的 LSV 曲线。(e) NC@Co/NC 在不同 H2O2 浓度下的 CV 曲线。(f) 含 0.05 M H2O2 的 1.0 M KOH 溶液中的 LSV 曲线。

图4. (a) Co/CNT 和 (b) Co/N-CNT 的电荷密度分布（黄色的积累区域和青色的耗尽区域）和LPDOS。(c) Co/CNT（顶部）和 Co/N-CNT（底部）上的 Gibbs 自由能分布和相应的 HzOR 反应途径。

图5. (a) HzOR、ORR 和 HpRR 的反应电势示意图。 (b) Pt/C、NC、Co/NC 和NC@Co/NC 在 N2H4-O2 以及 (c) N2H4-H2O2 电池性能。 (d) 肼燃料电池性能总结。

总结与展望

上述结果表明，作者报道了一种用于肼氧化、氧还原和过氧化氢还原的沸石-咪唑骨架衍生的三功能电催化剂。实验和计算结果表明，所得到的具有丰富 Co-N 物种的中空纳米碳有效地增强了电子相互作用并优化了电化学反应的能垒，从而有助于增强阳极肼氧化和阴极氧还原/过氧化氢还原的活性。因此，构建的 N2H4-O2 燃料电池可以产出 0.74 V 的电池电压以及 20.5 mW cm-2 的功率密度。受益于液-液扩散，NC@Co/NC 电催化剂可以在N2H4-H2O2 电池中输出 1.68 V 的电池电压和 41.0 mW cm-2 的功率密度。因此，基于实验结果和理论计算，这项工作将为能量转换技术的非贵金属催化剂的设计和制备提供新的策略。