第一作者：Siqi Wu

通訊作者：王磊、劉曉斌

通訊單位：青島科技大學

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本研究旨在開發基于海水的高性能氧還原反應（ORR）電催化劑，這對于可再生能源的存儲和轉換具有重要意義。目前，基于鐵的衍生物被氮摻雜的碳包覆，是典型的代表。然而，揭示氮構型對ORR活性和耐氯性的機制仍然是一個巨大挑戰。

本工作通過一種可行的策略，制備了可控的吡啶/吡咯-氮摻雜碳覆蓋的鐵基電催化劑（FexN-NC）。通過H₃PO₄阻斷的原位傅里葉變換紅外光譜（FTIR）測試和密度泛函理論（DFT）計算，證明了吡啶-氮和吡咯-氮對ORR的串聯效應。此外，FexN-NC的低過氧化氫（H₂O₂）產率和4e?途徑表明，氮摻雜有效地減少了Cl^?的吸附，與DFT計算的低Cl^?吸附能一致。

FexN-NC在堿性海水中的ORR半波電位（E_1/2）達到0.874 V，以FexN-NC為空氣陰極組裝的鋅-空氣電池（ZABs）提供了顯著的功率密度（162 mW cm^?2），以及出色的長期耐久性（>400 h）。

圖文導讀

圖1展示了Fe_xN-NC的內部機制圖（a），掃描電子顯微鏡（SEM）（b），透射電子顯微鏡（TEM）（c），選區電子衍射（SAED）圖案（d），高分辨率TEM（HRTEM）（e），以及TEM映射圖像（f）。

圖2顯示了Fe_xN-NC的XRD圖譜（a），N₂吸附-脫附曲線（b），孔徑分布（c），Fe 2p（d），C 1s（e），N 1s光譜（f），氮構型的示意性插圖（g），不同樣品中吡啶-氮和吡咯-氮的變化（h），以及FexN-NC的拉曼光譜經過高斯擬合后的圖像（i）。

圖3包含了Fe_xN-NC和Pt/C的LSV測試結果（a），FexN-NC與已報道催化劑的ORR性能比較圖（b），E_1/2和JK的條形圖（d），FexN-NC在模擬海水中的ORR LSV曲線（e），0.1 m KOH + 海水中FexN-NC的過氧化物產生和n值（f），FexN-NC降解機制的示意性插圖（g），不同催化劑對Cl?的吸附能（h），以及FexN-NC和Pt/C的ORR LSV測試結果（i）。

圖4為Fe_xN-NC在ORR過程中的原位紅外光譜（a,b），H₃PO₄阻斷前后N物種和電位的變化（c），三種不同模型的C位點包括吡咯-氮、吡啶-氮和純C的示意圖（d），三種不同模型的電子轉移值（e），O₂吸附示范過程（f），以及三種不同模型的總態密度（TDOS）（g）。

圖5展示了Fe_xN-NC的開路電壓（a），放電和功率密度曲線（b），不同電流密度下的恒流放電過程（c），Fe_xN-NC和Pt/C在10 mA cm^?2電流密度下的長循環曲線（d），Fe_xN-NC與其他催化劑的ORR性能比較（e），不同彎曲角度下的循環性能（f），以及通過柔性ZAB為手機充電的照片（g）。

總結展望

本研究的亮點在于成功揭示了氮構型對提高ORR活性和氯抵抗性的作用機制。通過H₃PO₄阻斷的原位FTIR測試和DFT計算，證明了吡啶-氮和吡咯-氮對ORR的顯著影響。

Fe_xN-NC在堿性海水中的ORR半波電位（E_1/2）達到0.874 V，以Fe_xN-NC為空氣陰極組裝的鋅-空氣電池（ZABs）提供了顯著的功率密度（162 mW cm^?2），以及出色的長期耐久性（>400 h）。

這些結果表明，Fe_xN-NC是一種高效、穩定的ORR電催化劑，具有在實際海水環境中應用的潛力，為設計合理的氮組分催化劑和開發高性能、高能量密度、耐用的鋅-空氣電池提供了新策略。

文獻信息

標題: Unraveling the Tandem Effect of Nitrogen Configuration Promoting Oxygen Reduction Reaction in Alkaline Seawater

期刊: Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202400183