具有高活性和高穩定性的碳基電催化劑非常適合用于鋅空氣電池。然而，碳腐蝕反應（CCR）是可充電鋅空氣電池的一個關鍵障礙。在這項研究中，報道了一種具有成本效益的碳基新型材料，通過簡單的石墨化工藝制備，對氧還原反應（ORR）和析氧反應（OER）具有高催化效果和良好的耐久性。通過引入過渡金屬合金的催化晶格，石墨烯的原位生長被用于 3D 金屬配位水凝膠。由于在金屬合金裝飾的 3d 碳網絡上直接生長了幾層石墨烯，在重復的 OER 測試中觀察到 CCR 大大降低。結果，在堿性介質中，在10 mA cm
−2的電流密度下，實現了高效的雙功能電催化性能，
ΔE值為0.63 V，并且具有良好的電化學耐久性83 h。此外，氮摻雜碳載體上的石墨烯封裝的過渡金屬合金在鋅空氣電池系統中表現出優異的催化效果和良好的耐久性。這項研究提出了一種克服碳基材料 CCR 的直接方法，用于電化學催化劑，廣泛應用于能量轉換和能量存儲設備。
Fig 1. 從明膠與過渡金屬制備金屬配位前體。 a) 過渡金屬配位明膠形成示意圖； b）明膠衍生水凝膠和過渡金屬配位水凝膠的FT-IR光譜； c) 凍干法（FD：Freeze-drying）制備的參比明膠和金屬配位明膠的孔徑分布； d,e) (d) 參考明膠和 (e) 金屬配位明膠的 SEM 圖像。 f) 凍干金屬配位明膠的 TOF-SIMS 映射圖像。 g,h) 凍干明膠 (g) 和金屬配位明膠 (h) 的 2D WAXD 圖像。
Fig 2. 3d-GMC 的表面形態特性。 a) 3d-GMC的SEM圖像； b) 3d-GMC的TEM圖像； c) 3d-GMC 的 TEM 映射圖像顯示金屬合金的不均勻分布； d）3d-GMC的N
2吸附/解吸等溫線（插圖：3d-GMC的孔徑分布曲線）； e) M/C 和 3d-GMC 的 TOF-SIMS 正譜。
Fig 3. 3d-GMC的結構特征。 a) 3d-GMC中金屬表面石墨烯和氮摻雜碳域的拉曼光譜；來自 3d-GMC 的 b) C1s、c) N1s 的 XPS 光譜； d) 3d-GMC的XRD譜； e) XANES 和 f) 樣品的 FT-EXAFS。
Fig 4. 3d-GMC的電化學測試。a) ORR 和 c) OER 的商業 Pt/C 和 Ir/C、M/C 和 3d-GMC 的 RDE 極化曲線；b) ORR 活性和 d) OER 活性相應的塔菲爾圖；磁盤轉速固定為1600轉/分鐘。e) M/C（黑色）、3d-GMC（紅色）和 Pt/C + Ir/C（藍色）的雙功能：圖中提供了每種催化劑的雙功能值（即 ORR 和 OER 之間的起始電位差 (
ΔE)）。f) M/C（黑色）和3d-GMC（紅色）在10 mA cm
−2 電流密度下的耐久性測試。使用0.1 M KOH作為電解質進行電催化測試。 g) OER 測試后的 3d-GMC 的 TEM 圖像。 h–j) 鋅空氣電池 3d-GMC 的完整電池性能。 (h) 倍率性能，(i) 展示功率密度的極化測試，以及(j)使用 3d-GMC 陰極（紅色）和商用鋅箔陽極組裝的鋅空氣電池與使用 M/C 作為陰極（黑色）的鋅空氣電池相比的循環性能。倍率能力測試按以下順序進行：OCV、1、2、5、10 mA cm
−2。
相關研究工作由韓國蔚山國家科學技術研究所Ji-Hyun Jang課題組于2023年在線發表于《small》期刊上，Graphene-Encapsulated Bifunctional Catalysts with High Activity and Durability for Zn–Air Battery，原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202300551#pane-pcw-figures。
轉自《石墨烯研究》公眾號
