化学学报 ›› 2024, Vol. 82 ›› Issue (10): 1039-1049.DOI: 10.6023/A24050152 上一篇 下一篇
研究论文
税子怡a,b, 于思乐c, 陆伟a, 许留云b, 刘庆叶a, 赵炜a,*(), 刘益伦d
投稿日期:
2024-05-06
发布日期:
2024-07-09
基金资助:
Ziyi Shuia,b, Sile Yuc, Wei Lua, Liuyun Xub, Qingye Liua, Wei Zhaoa(), Yilun Liud
Received:
2024-05-06
Published:
2024-07-09
Contact:
*E-mail: zhaowei3313@nwu.edu.cn
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可充电锌空气电池(ZABs)由于其高能量和功率密度、高安全性和成本效益, 被认为是未来储能领域中最有前途的清洁电源之一. 然而, 其实际应用受到放电和充电过程中氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)动力学缓慢的阻碍. Pt和IrO2是目前公认的高效ORR和OER催化剂, 但贵金属催化剂的高成本阻碍了它们商业化的步伐. 本工作通过共沉淀法制备了一系列尖晶石催化剂(Mnx-Co3O4, x=0, 0.5, 1, 1.5), 以实现在碱性介质中高效催化ORR和OER的目的, 并进一步探索这些过渡金属氧化物催化材料作为双功能复合催化剂在取代贵金属方面的潜力. 实验结果显示: Mn-Co3O4具有优异的ORR性能(起始电位为0.85 V, 半波电位为0.69 V)和OER性能(过电位为0.57 V, 电子转移电阻为26.14 Ω). 此外, 密度泛函理论(DFT)计算表明, Mn和Co位点可以分别作为ORR和OER的潜在活性位点, 在电催化过程中具有显著的协同作用. 表征结果进一步证实锰的掺杂增加了催化剂的比表面积和氧空位, 调整了催化剂表面化学和电子状态, 从而提高了催化剂的ORR和OER性能. 另外, 该催化剂在液态可充电锌空气电池中显示出长达40 h的循环寿命. 总而言之, 本工作证明了锰钴双金属协同催化是提高ORR和OER选择性的一种有效策略.
税子怡, 于思乐, 陆伟, 许留云, 刘庆叶, 赵炜, 刘益伦. Mn掺杂Co3O4双功能电催化剂在碱性介质下氧还原和析氧反应中的应用[J]. 化学学报, 2024, 82(10): 1039-1049.
Ziyi Shui, Sile Yu, Wei Lu, Liuyun Xu, Qingye Liu, Wei Zhao, Yilun Liu. Bifunctional Electrocatalysts of Mn-doped Co3O4 for Oxygen Reduction and Oxygen Evolution Reactions in Alkaline Medium[J]. Acta Chimica Sinica, 2024, 82(10): 1039-1049.
样品 | 元素 | XPS结果 | ICP结果 | EDS结果 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
原子比(%) | Mn/Co | 原子比(%) | Mn/Co | 原子比(%) | Mn/Co | |||
Co3O4 | Mn | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | |
Co | 8.64 | 69.65 | 46.55 | |||||
Mn0.5-Co3O4 | Mn | 3.28 | 0.53 | 25.93 | 0.49 | 18.60 | 0.51 | |
Co | 6.21 | 51.99 | 36.14 | |||||
Mn-Co3O4 | Mn | 4.51 | 0.82 | 36.31 | 0.77 | 25.4 | 0.83 | |
Co | 5.48 | 46.80 | 30.5 | |||||
Mn1.5-Co3O4 | Mn | 5.12 | 1.21 | 44.94 | 1.19 | 30.07 | 1.21 | |
Co | 4.23 | 37.55 | 24.84 |
样品 | 元素 | XPS结果 | ICP结果 | EDS结果 | ||||
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原子比(%) | Mn/Co | 原子比(%) | Mn/Co | 原子比(%) | Mn/Co | |||
Co3O4 | Mn | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | |
Co | 8.64 | 69.65 | 46.55 | |||||
Mn0.5-Co3O4 | Mn | 3.28 | 0.53 | 25.93 | 0.49 | 18.60 | 0.51 | |
Co | 6.21 | 51.99 | 36.14 | |||||
Mn-Co3O4 | Mn | 4.51 | 0.82 | 36.31 | 0.77 | 25.4 | 0.83 | |
Co | 5.48 | 46.80 | 30.5 | |||||
Mn1.5-Co3O4 | Mn | 5.12 | 1.21 | 44.94 | 1.19 | 30.07 | 1.21 | |
Co | 4.23 | 37.55 | 24.84 |
Oads/Olatt | Mn3+/Mn4+ | Co2+/Co3+ | Co3+/Mn3+ | |
---|---|---|---|---|
Co3O4 | 0.68 | — | 0.88 | |
Mn0.5-Co3O4 | 0.98 | 1.37 | 0.94 | 1.13 |
Mn-Co3O4 | 1.76 | 1.98 | 1.25 | 0.91 |
Mn1.5-Co3O4 | 0.90 | 2.23 | 1.18 | 0.32 |
Oads/Olatt | Mn3+/Mn4+ | Co2+/Co3+ | Co3+/Mn3+ | |
---|---|---|---|---|
Co3O4 | 0.68 | — | 0.88 | |
Mn0.5-Co3O4 | 0.98 | 1.37 | 0.94 | 1.13 |
Mn-Co3O4 | 1.76 | 1.98 | 1.25 | 0.91 |
Mn1.5-Co3O4 | 0.90 | 2.23 | 1.18 | 0.32 |
Co3O4 | Mn0.5-Co3O4 | Mn-Co3O4 | Mn1.5-Co3O4 | ||
---|---|---|---|---|---|
ORR | 起始电位/V | 0.75 | 0.83 | 0.85 | 0.78 |
半波电位/V | 0.65 | 0.66 | 0.69 | 0.58 | |
Tafel斜率/ (mV•dec−1) | 134.4 | 132.9 | 103.7 | 197.9 | |
电子转移数 | 3.15 | 3.36 | 3.57 | 3.29 | |
OER | Ej=10/V | 1.791 | 1.789 | 1.781 | 1.805 |
相应过电位/ mV | 0.561 | 0.559 | 0.551 | 0.575 | |
Tafel斜率/ (mV•dec−1) | 91.3 | 99.2 | 88.1 | 98.3 |
Co3O4 | Mn0.5-Co3O4 | Mn-Co3O4 | Mn1.5-Co3O4 | ||
---|---|---|---|---|---|
ORR | 起始电位/V | 0.75 | 0.83 | 0.85 | 0.78 |
半波电位/V | 0.65 | 0.66 | 0.69 | 0.58 | |
Tafel斜率/ (mV•dec−1) | 134.4 | 132.9 | 103.7 | 197.9 | |
电子转移数 | 3.15 | 3.36 | 3.57 | 3.29 | |
OER | Ej=10/V | 1.791 | 1.789 | 1.781 | 1.805 |
相应过电位/ mV | 0.561 | 0.559 | 0.551 | 0.575 | |
Tafel斜率/ (mV•dec−1) | 91.3 | 99.2 | 88.1 | 98.3 |
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(税子怡, 何娜娜, 陈黎, 赵炜, 陈曦, 化学学报, 2020, 78 557.)
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