构筑高效耐腐蚀的碳铠甲层包覆Co9Se8电催化剂用于海水基锌空气电池

汪已萱 张灿辉 汪兴坤 段嘉瑞 童科程 代水星 初蕾 黄明华

引用本文: 汪已萱, 张灿辉, 汪兴坤, 段嘉瑞, 童科程, 代水星, 初蕾, 黄明华. 构筑高效耐腐蚀的碳铠甲层包覆Co9Se8电催化剂用于海水基锌空气电池[J]. 物理化学学报, 2024, 40(6): 230500. doi: 10.3866/PKU.WHXB202305004 shu
Citation:  Yixuan Wang, Canhui Zhang, Xingkun Wang, Jiarui Duan, Kecheng Tong, Shuixing Dai, Lei Chu, Minghua Huang. Engineering Carbon-Chainmail-Shell Coated Co9Se8 Nanoparticles as Efficient and Durable Catalysts in Seawater-Based Zn-Air Batteries[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2024, 40(6): 230500. doi: 10.3866/PKU.WHXB202305004 shu

构筑高效耐腐蚀的碳铠甲层包覆Co9Se8电催化剂用于海水基锌空气电池

    通讯作者: 汪兴坤, xingkunwang@163.com; 黄明华,
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 52261145700

    国家自然科学基金 22279124

    山东省自然科学基金 ZR2022ZD30

摘要: 得益于较高的理论能量密度、环境友好性和丰富的海水储量,海水基锌-空气电池(S-ZABs)被认为是一种极具应用前景的储能和能源转换装置,是解决能源短缺和环境污染问题的能源装置之一。然而对于S-ZABs而言,构筑在海水中具有高耐氯离子腐蚀性与高性能的阴极氧还原反应电催化剂仍然具有挑战性。因此,我们通过高温硒化策略,在氮掺杂介孔碳材料上设计了超薄碳铠甲层封装的Co9Se8纳米颗粒高效ORR电催化剂(命名为NMC-Co9Se8)。外部的超薄碳铠甲层不仅可以改善催化过程中的电子转移过程,抑制纳米颗粒的团聚,而且可以作为盔甲保护内部活性位点免受Cl吸附和腐蚀。得益于这种独特的结构,NMC-Co9Se8在0.1 mol∙L−1 KOH海水电解质中表现出优异的ORR性能,其起始电位为0.904 V,半波电位为0.860 V。更重要的是,基于NMC-Co9Se8催化剂的S-ZABs可提供172.4 mW∙cm−2的功率密度和超过150 h的优异长期放电稳定性,均高于基于Pt/C的S-ZABs性能。这项工作为开发用于海水基锌-空气电池和其他能源转换技术具有耐氯离子腐蚀且高效的ORR催化剂提供了新思路。

English

    1. [1]

      Wang, Y.; Wu, J.; Tang, S.; Yang, J.; Ye, C.; Chen, J.; Lei, Y.; Wang, D. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, 202219191. doi: 10.1002/anie.202219191

    2. [2]

      Yao, H.; Wang, X.; Li, K.; Li, C.; Zhang, C.; Zhou, J.; Cao, Z.; Wang, H.; Gu, M.; Huang, M.; et al. Appl. Catal. B-Environ. 2022, 312, 121378. doi: 10.1016/j.apcatb.2022.121378

    3. [3]

      Zhou, J.; Han, Z.; Wang, X.; Gai, H.; Chen, Z.; Guo, T.; Hou, X.; Xu, L.; Hu, X.; Huang, M.; et al. Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2102066. doi: 10.1002/adfm.202102066

    4. [4]

      Zhu, P.; Xiong, X.; Wang, D. Nano Res. 2022, 15, 5792. doi: 10.1007/s12274-022-4265-y

    5. [5]

      Zhao, C. X.; Liu, J. N.; Wang, J.; Ren, D.; Yu, J.; Chen, X.; Li, B. Q.; Zhang, Q. Adv. Mater. 2021, 33, 2008606. doi: 10.1002/adma.202008606

    6. [6]

      Han, A.; Wang, X.; Tang, K.; Zhang, Z.; Ye, C.; Kong, K.; Hu, H.; Zheng, L.; Jiang, P.; Zhao, C.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 19262. doi: 10.1002/anie.202105186

    7. [7]

      Jing, H.; Zhu, P.; Zheng, X.; Zhang, Z.; Wang, D.; Li, Y. Adv. Powder Mater. 2022, 1, 100013. doi: 10.1016/j.apmate.2021.10.004

    8. [8]

      Wang, Y.; Wan, X.; Liu, J.; Li, W.; Li, Y.; Guo, X.; Liu, X.; Shang, J.; Shui, J. Nano Res. 2022, 15, 3082. doi: 10.1007/s12274-021-3966-y

    9. [9]

      Xiong, Y.; Li, H.; Liu, C.; Zheng, L.; Liu, C.; Wang, J. O.; Liu, S.; Han, Y.; Gu, L.; Qian, J.; et al. Adv. Mater. 2022, 34, 2110653. doi: 10.1002/adma.202110653

    10. [10]

      Zhang, C.; Wang, X.; Song, K.; Chen, K.; Dai, S.; Wang, H.; Huang, M. Nano Res. 2023, 16, 1. doi: 10.1007/s12274-023-5578-1

    11. [11]

      Zhang, J.; Zhou, Q.; Tang, Y.; Zhang, L.; Li, Y. Chem. Sci. 2019, 10, 8924. doi: 10.1039/c9sc04221k

    12. [12]

      Wang, T.; Wu, J.; Liu, Y.; Cui, X.; Ding, P.; Deng, J.; Zha, C.; Coy, E.; Li, Y. Energy Storage Mater. 2019, 16, 24. doi: 10.1016/j.ensm.2018.04.020

    13. [13]

      崔柏桦, 施毅, 李根, 陈亚楠, 陈伟, 邓意达, 胡文彬. 物理化学学报, 2021, 38, 2106010. doi: 10.3866/PKU.WHXB202106010Cui, B.; Shi, Y.; Li, G.; Chen, Y.; Chen, W.; Deng, Y.; Hu, W. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 38, 2106010. doi: 10.3866/PKU.WHXB202106010

    14. [14]

      Zhang, Y. X.; Zhang, S.; Huang, H.; Liu, X.; Li, B.; Lee, Y.; Wang, X.; Bai, Y.; Sun, M.; Wu, Y.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 4819. doi: 10.1021/jacs.2c13886

    15. [15]

      Pan, Y.; Li, M.; Mi, W.; Wang, M.; Li, J.; Zhao, Y.; Ma, X.; Wang, B.; Zhu, W.; Cui, Z.; et al. Nano Res. 2022, 15, 7976. doi: 10.1007/s12274-022-4502-4

    16. [16]

      Yu, Y.; Xia, F.; Wang, C.; Wu, J.; Fu, X.; Ma, D.; Lin, B.; Wang, J.; Yue, Q.; Kang, Y. Nano Res. 2022, 15, 7868. doi: 10.1007/s12274-022-4432-1

    17. [17]

      Li, W. H.; Yang, J.; Wang, D. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, 202213318. doi: 10.1002/anie.202213318

    18. [18]

      Cai, C.; Liu, K.; Zhu, Y.; Li, P.; Wang, Q.; Liu, B.; Chen, S.; Li, H.; Zhu, L.; Li, H.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, 202113664. doi: 10.1002/anie.202113664

    19. [19]

      Luo, M.; Zhao, Z.; Zhang, Y.; Sun, Y.; Xing, Y.; Lv, F.; Yang, Y.; Zhang, X.; Hwang, S.; Qin, Y.; et al. Nature 2019, 574, 81. doi: 10.1038/s41586-019-1603-7

    20. [20]

      Zhou, M.; Guo, J.; Zhao, B.; Li, C.; Zhang, L.; Fang, J. J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 15891. doi: 10.1021/jacs.1c08644

    21. [21]

      Liu, Z.; Du, Y.; Yu, R.; Zheng, M.; Hu, R.; Wu, J.; Xia, Y.; Zhuang, Z.; Wang, D. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 62, 202212653. doi: 10.1002/anie.202212653

    22. [22]

      Yu, J.; Li, B. Q.; Zhao, C. X.; Zhang, Q. Energy Environ. Sci. 2020, 13, 3253. doi: 10.1039/d0ee01617a

    23. [23]

      Yu, J.; Zhao, C. X.; Liu, J. N.; Li, B. Q.; Tang, C.; Zhang, Q. Green Chem. Eng. 2020, 1, 117. doi: 10.1016/j.gce.2020.09.013

    24. [24]

      Cui, X.; Ren, P.; Deng, D.; Deng, J.; Bao, X. Energy Environ. Sci. 2016, 9, 123. doi: 10.1039/c5ee03316k

    25. [25]

      肖瑶, 裴煜, 胡一帆, 马汝广, 王德义, 王家成. 物理化学学报, 2020, 37, 2009051. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009051Xiao, Y.; Pei, Y.; Hu, Y.; Ma, R.; Wang, D.; Wang, J. Acta Phys. -Chim. Sin. 2020, 37, 2009051. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009051

    26. [26]

      Zang, Y.; Liu, T.; Wei, P.; Li, H.; Wang, Q.; Wang, G.; Bao, X. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 134, 202209629. doi: 10.1002/anie.202209629

    27. [27]

      Zheng, X.; Yang, J.; Xu, Z.; Wang, Q.; Wu, J.; Zhang, E.; Dou, S.; Sun, W.; Wang, D.; Li, Y. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, 202205946. doi: 10.1002/anie.202205946

    28. [28]

      Kim, S.; Ji, S.; Yang, H.; Son, H.; Choi, H.; Kang, J.; Li, O. L. Appl. Catal. B-Environ. 2022, 310, 121361. doi: 10.1016/j.apcatb.2022.121361

    29. [29]

      Suh, D. H.; Park, S. K.; Nakhanivej, P.; Kim, Y.; Hwang, S. M.; Park, H. S. J. Power Sources 2017, 372, 31. doi: 10.1016/j.jpowsour.2017.10.056

    30. [30]

      Ren, W.; Wang, Y.; Zhang, Z.; Tan, Q.; Zhong, Z.; Su, F. J. Mater. Chem. A 2016, 4, 552. doi: 10.1039/C5TA07487H

    31. [31]

      Huang, S.; Zhao, Z.; Wei, Z.; Wang, M.; Chen, Y.; Wang, X.; Shao, F.; Zhong, X.; Li, X.; Wang, J. Green Chem. 2022, 24, 6945. doi: 10.1039/D2GC02161G

    32. [32]

      Jiang, X.; Yan, X.; Hu, X.; Feng, R.; Li, T.; Wang, L. Sep. Purif. Technol. 2022, 297, 121400. doi: 10.1016/j.seppur.2022.121400

    33. [33]

      Du, C.; Li, P.; Zhuang, Z.; Fang, Z.; He, S.; Feng, L.; Chen, W. Coord. Chem. Rev. 2022, 466, 214604. doi: 10.1016/j.ccr.2022.214604

    34. [34]

      Jhong, H. P.; Chang, S. T.; Huang, H. C.; Wang, K. C.; Lee, J. F.; Yasuzawa, M.; Wang, C. Catal. Sci. Technol. 2019, 9, 3426. doi: 10.1039/C9CY00854C

    35. [35]

      Li, K.; Cheng, R.; Xue, Q.; Meng, P.; Zhao, T.; Jiang, M.; Guo, M.; Li, H.; Fu, C. Chem. Eng. J. 2022, 450, 137991. doi: 10.1016/j.cej.2022.137991

    36. [36]

      Nekooi, P.; Akbari, M.; Amini, M. K. Int. J. Hydrog. Energy 2010, 35, 6392. doi: 10.1016/j.ijhydene.2010.03.134

    37. [37]

      Meng, T.; Qin, J.; Wang, S.; Zhao, D.; Mao, B.; Cao, M. J. Mater. Chem. A 2017, 5, 7001. doi: 10.1039/c7ta01453h

    38. [38]

      Wu, R.; Xue, Y.; Liu, B.; Zhou, K.; Wei, J.; Chan, S. H. J. Power Sources 2016, 330, 132. doi: 10.1016/j.jpowsour.2016.09.001

    39. [39]

      Chen, K.; Wang, X.; Zhang, C.; Xu, R.; Wang, H.; Chu, L.; Huang, M. Mater. Today Energy 2022, 30, 101150. doi: 10.1016/j.mtener.2022.101150

    40. [40]

      Yuan, Q.; Zhao, J.; Mok, D. H.; Zheng, Z.; Ye, Y.; Liang, C.; Zhou, L.; Back, S.; Jiang, K. Nano Lett. 2022, 22, 1257. doi: 10.1021/acs.nanolett.1c04420

    41. [41]

      Jin, H.; Xu, Z.; Hu, Z. Y.; Yin, Z.; Wang, Z.; Deng, Z.; Wei, P.; Feng, S.; Dong, S.; Liu, J.; et al. Nat. Commun. 2023, 14, 1518. doi: 10.1038/s41467-023-37268-4

    42. [42]

      Deng, J.; Ren, P.; Deng, D.; Bao, X. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 2100. doi: 10.1002/anie.201409524

    43. [43]

      Song, X. R.; Wang, X.; Yu, S. X.; Cao, J.; Li, S. H.; Li, J.; Liu, G.; Yang, H. H.; Chen, X. Adv. Mater. 2015, 27, 3285. doi: 10.1002/adma.201405634

    44. [44]

      Wang, X.; Kong, D.; Huang, Z. X.; Wang, Y.; Yang, H. Y. Small 2017, 13. 1603980. doi: 10.1002/smll.201603980

    45. [45]

      Xia, C.; Qiu, Y.; Xia, Y.; Zhu, P.; King, G.; Zhang, X.; Wu, Z.; Kim, J. Y.; Cullen, D. A.; Zheng, D.; et al. Nat. Chem. 2021, 13, 887. doi: 10.1038/s41557-021-00734-x

    46. [46]

      Hu, H.; Zhang, J.; Guan, B.; Lou, X. W. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 9514. doi: 10.1002/anie.201603852

    47. [47]

      Hou, L.; Sun, X.; Guo, L.; Meng, X.; Wei, J.; Yuan, C. Energy Technol. 2019, 8, 1901319. doi: 10.1002/ente.201901319

    48. [48]

      Zhou, X.; Gao, J.; Hu, Y.; Jin, Z.; Hu, K.; Reddy, K. M.; Yuan, Q.; Lin, X.; Qiu, H. J. Nano Lett. 2022, 22, 3392. doi: 10.1021/acs.nanolett.2c00658

    49. [49]

      Ba, E. C. T.; Dumont, M. R.; Martins, P. S.; da Silva Pinheiro, B.; da Cruz, M. P. M.; Barbosa, J. W. Diam. Relat. Mat. 2022, 122, 108818. doi: 10.1016/j.diamond.2021.108818

    50. [50]

      Song, J.; Chen, Y.; Huang, H.; Wang, J.; Huang, S. C.; Liao, Y. F.; Fetohi, A. E.; Hu, F.; Chen, H. Y.; Li, L.; et al. Adv. Sci. 2022, 9, 2104522. doi: 10.1002/advs.202104522

    51. [51]

      Sheng, J.; Sun, S.; Jia, G.; Zhu, S.; Li, Y. ACS Nano 2022, 16, 15994. doi: 10.1021/acsnano.2c03565

    52. [52]

      Wang, J.; Li, H.; Liu, S.; Hu, Y.; Zhang, J.; Xia, M.; Hou, Y.; Tse, J.; Zhang, J.; Zhao, Y. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 181. doi: 10.1002/anie.202009991

    53. [53]

      Wang, X.; Zhou, X.; Li, C.; Yao, H.; Zhang, C.; Zhou, J.; Xu, R.; Chu, L.; Wang, H.; Gu, M.; et al. Adv. Mater. 2022, 34, 2204021. doi: 10.1002/adma.202204021

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  2
  • 文章访问数:  803
  • HTML全文浏览量:  74
文章相关
  • 发布日期:  2024-06-15
  • 收稿日期:  2023-05-08
  • 接受日期:  2023-07-27
  • 修回日期:  2023-07-26
  • 网络出版日期:  2023-08-10
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章