【研究背景】

锌空电池具有高达1084 Wh kg-1的理论比能量且制作成本低而被视为便携式和可穿戴供能设备的理想选择之一。锌空电池的基本工作原理为为：

即电池体系在充电过程中发生OER反应，放电过程发生ORR反应。为克服反应过程中动力学难题以及较高能垒，贵金属催化剂被广泛应用，然而其较为单一的催化性能以及较高的成本限制了它的应用。因此具有多功能性的非贵金属催化剂走入人们视线，其中过渡金属氮化物由于电子结构独特，电导率高和催化性能优异等特点而被广泛关注和研究，尤其是二维纳米片结构是理想的选择。但是，过渡金属氮化物二维结构并不稳定，在合成过程中易堆叠成厚片从而降低催化性能。为解决以上问题，苏州大学耿凤霞教授联合悉尼科技大学汪国秀教授，利用Ti3C2纳米片表面独特的金属结构，稳定NiFeMn氮化物二维结构表面，在热力学上实现了对NiFeMn三元氮化物纳米片的稳定作用。得益于两种纳米片界面之间的强相互作用而产生的协同作用实现了ORR,OER双功能催化作用。其中，该杂化材料的ORR催化性能甚至可以媲美贵金属催化剂。最后，研究人员成功将该杂化材料应用于纤维状锌空电池，并获得了高达627 Wh kgZn-1的能量密度。该工作日前以“Molecularly Thin Nitride Sheets Stabilized by Titanium Carbide as Efficient Bifunctional Electrocatalysts for Fiber-Shaped Rechargeable Zinc-Air Batteries”为题发表在顶级期刊Nano Letters上。

【图文导读】

图1. 声子散射模拟探究MXene稳定氮化物纳米片的可行性。

图2. 对制备NiFeMn三元氮化物纳米片/Ti3C2纳米片（Nitride/N-Ti3C2）杂化材料过程中的前驱体以及产物的结构表征。

图3. Nitride/N-Ti3C2以及对比样品的催化性能测试。

图4. 基于Nitride/N-Ti3C2的锌空电池性能测试以及与Pt/C+RuO2锌空电池性能对比。

【工作总结】

本工作通过Ti3C2纳米片的协同稳定作用实现了稳定的金属氮化物二维结构，使得其不仅具有OER活性，并解锁了高效ORR特性。基于此催化剂设计并实现了高能量密度纤维状锌空电池，其能量密度高达627 Wh kgZn-1。同时该锌空电池即使在严重机械形变下，性能仍然能够保持并持续为器件供能。该工作为合理设计催化剂的结构以及应用开辟了广阔前景（该工作为高性能催化剂提供了新颖的结构设计思路，极大地拓展了非贵金属催化剂在催化领域的应用前景）。

【参考文献】

Zhihan Wu,† Hao Wang,† Pan Xiong,† Guohui Li,† Tianlun Qiu, Wen-Bin Gong,Fangfang Zhao, Cuiling Li, Qingwen Li, Guoxiu Wang,* Fengxia Geng* Molecularly Thin Nitride Sheets Stabilized by Titanium Carbide as Efficient Bifunctional Electrocatalysts for Fiber-Shaped Rechargeable Zinc-Air Batteries. Nano Lett., 2020，DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c00717

文章来源：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.0c00717

信息来源： DT新材料