1成果简介
如何合理设计具有高暴露活性位点和最大化活性位点利用率的电催化剂是一个具有挑战性的紧迫问题。本文，河北师范大学郭佳宁，副教授、马婧媛，讲师、武明星, 教授等在《Carbon》期刊发表名为“Cu-based active sites supported on nitrogen-rich polymer derived porous carbon fibers as an oxygen reduction electrocatalyst for zinc-air batteries”的论文，研究采用一种简便的策略，通过预先设计的具有独特分子结构的共价有机聚合物（COP）前驱体的配位-热解方式，在掺氮多孔碳纳米纤维中锚定铜基活性位点，从而制备出一种有效且持久的氧还原反应（ORR）电催化剂。
同时，COP 衍生的掺杂 N 的纳米碳纤维可提供多孔结构，促进质量/电子的快速传输，从而确保铜基活性位点具有较强的耐久性和较高的反应活性。获得的催化剂（Cu0.4/NPC）显示出卓越的活性（E1/2=0.845 V）和 ORR 性能稳定性。值得注意的是，以Cu0.4/NPC作为阴极催化剂组装的锌-空气电池在大电流条件下可达到142mA cm-2 的峰值功率密度和 829 mA h g-1 的大比容量。此外，Cu0.4/NPC催化剂装配在固体锌-空气电池中可达到 157 mA cm-2 的峰值功率密度。这项工作为设计具有高密度和活性位点最大利用率的先进ORR催化剂提供了巨大的机遇。
2图文导读
图1. Cu0.4/NPC 电催化剂的合成路线。
图2. (a) COP 的 SEM 图像。(b) Cu0.4/NPC 的 SEM 图像 (c, d) Cu0.4/NPC 的 TEM 图像。(e、f）Cu0.4/NPC 的 HRTEM 图像。(g）Cu0.4/NPC 的 STEM 图像和相应的元素映射。
图3、（a） XRD图谱。（b） 拉曼光谱。（c） 样品的N2吸附-解吸等温线。（d） 相应的Cu0.4/NPC的孔径分布曲线。（e） Cu0.4/NPC的N1s光谱。（f） Cu0.4/NPC的Cu2p光谱。（g） Cu箔、CuPc和Cu0.4/NPC的Cu K边XANES光谱。（h） 铜箔、CuPc和Cu0.4/NPC的傅立叶变换EXAFS光谱。（i） Cu0.4/NPC的首次拟合结果。
图4。氧还原反应（ORR）性能（a）电催化剂在氧饱和度为0.1M KOH时的ORR-LSV曲线。（b） 0.80V下电催化剂的动力学电流密度。（c）电催化剂的ORR-LSV曲线的相应Tafel曲线。（d） Cu0.4/NPC在不同转速下的ORR-LSV曲线（插图：不同电位对应的K-L图）。（e） 电催化剂的转移电子数（n）和过氧化氢产率（%）在0.35V和0.85V之间。（f）3000次循环前后Cu0.4/NPC的LSV曲线。
图5. (a) 液态可充电 ZAB 的示意图。(b) 液体可充电 ZAB 的放电曲线和相应的功率密度曲线。(c) 由 Cu0.4/NPC 组装的三个液体可充电 ZAB 照亮的 LED 屏幕。(d) 不同电流密度下的放电曲线。(e) 电流密度为 10 mA cm-2 时的恒流放电曲线，比电容基于消耗的锌的质量。(f) 全固态柔性 ZAB 的示意图。(g) 放电曲线和相应的功率密度曲线。(h) 不同电流密度下的放电曲线。(i) 电流密度为 1 mA cm-2 时的恒流放电曲线，比电容基于消耗的锌的质量。
3小结
综上所述，我们通过预先设计的 COP 前驱体的配位-热解路线合成了支持氮掺杂纤维碳材料的铜基活性位点。COP 衍生的掺氮纳米碳纤维具有高比表面积和多孔结构，可促进质量/电子的快速传输，提高铜基活性位点的利用率。获得的 Cu0.4/NPC 催化剂因其高多孔基底和快速的质量/电子传输而表现出卓越的 ORR 性能，E1/2高达845 mV，四电子反应路径紧密，过氧化氢产率低。XANES 和 EXAFS 光谱表明，Cu0.4/NPC中存在Cu-N配位和Cu簇。此外，将其应用于液态锌-空气电池和固态锌-空气电池时，用 Cu0.4/NPC组装的锌-空气电池的峰值功率密度分别达到 142mW cm-2和157mW cm-2，比电容分别为829mA hg-1 和 507mA hg-1。总之，该研究为制备高效非贵金属ORR电催化剂提供了一种可行的方法，具有巨大的实际应用潜力。
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