河北大学：卡拉胶/MOF 水凝胶衍生的多孔碳气凝胶作为可充电锌空气电池中析氧的高效电催化剂

最近，科研人员以角叉菜胶/NiCo-金属-有机骨架（MOF）水凝胶为前驱体，通过高温碳化路线制备了具有优异电催化性能的N掺杂多孔Ni3S2-Co9S8/碳气凝胶（Ni3S2-Co9S8/NCAs）用于析氧反应（OER）。电化学测量表明，Ni3S2-Co9S8/NCA 作为典型的电催化剂表现出优异的 OER 性能，在碱性环境中的性能优于大多数过渡金属硫化物 (TMS) 催化剂，在 10 mA cm-2 下具有 337 mV 的较低过电势。和 77 mV dec–1 的较小 Tafel 斜率。同时，基于 Ni3S2–Co9S8/NCA + Pt/C 的锌空气电池实现了高达 256 mW cm-2（和 193 mW cm-2）的大功率密度、小充放电电压差和良好的循环稳定性，明显优于传统的 RuO2 + Pt/C 基锌空气电池。这些优异的电催化性能主要归功于具有丰富缺陷的Ni3S2和Co9S8纳米颗粒结构之间独特的分层多孔结构和界面协同作用，促进了质量传输和有利于电子迁移的高石墨化程度。预计该研究为探索海洋生物质作为电催化剂提供了一种新方法。

示意图 1. Ni3S2–Co9S8/NCA的制备工艺图

图 1. (a) i-卡拉胶/2-MEIM 气凝胶、(b) i-卡拉胶/CoNi-MOF 气凝胶、(c, d) Ni3S2–Co9S8/NCA 的 SEM 图像。(e) Ni3S2–Co9S8/NCA 的 TEM 图像。(f-h) HRTEM 图像。(i) 高角度环形暗场扫描透射电子显微镜 (HAADF-STEM) 图像和元素映射。

图 4. (a) 1 M KOH 中 OER 样品的 LSV 曲线。(b) Ni3S2–Co9S8/NCA、Co9S8/NCA、Ni3S2/NCA、NCA 和 RuO2 的 Tafel 图。(c) 电流密度差异与不同催化剂的扫描速率作图。(d) Ni3S2–Co9S8/NCA、Co9S8/NCA、Ni3S2/NCA、NCA 和 RuO2 的 EIS 图。(e) Ni3S2–Co9S8/NCA 的计时电流曲线。(f) Ni3S2–Co9S8/NCA 的稳定性测试。

图 5. (a) 自制锌空气电池的简单机理图。(b) Pt/C + Ni3S2–Co9S8/NCA和Pt/C + RuO2制备的锌-空气电池的充放电极化曲线。(c) 放电曲线和功率密度分布曲线。(d) 恒流充放电曲线。(e) Pt/C + Ni3S2–Co9S8/NCA 电池，开路电压为 1.402 V。(f) 用两个串联的锌空气电池照明 LED 设备。(g, h) 由 Pt/C + Ni3S2–Co9S8/NCA 制备的锌空气电池供电的小型风扇的图片。

图 6. (a) Pt/C + Ni3S2–Co9S8/NCA 和 Pt/C + RuO2 制备的全固态柔性锌空气电池的充放电极化曲线。(b) Pt/C + Ni3S2–Co9S8/NCA 和 Pt/C + RuO2 柔性锌空气电池的功率密度分布和放电极化曲线。(c) 不同弯曲条件下电池的恒定放电曲线。(d) Pt/C + Ni3S2–Co9S8/NCA 柔性锌空气电池的照片，开路电压为 1.414 V。(e) 两个 Pt/C + Ni3S2–Co9S8/NCA 柔性锌空气电池连接的照片 串联为 LED 设备供电。

相关论文以题为Porous Ni3S2–Co9S8 Carbon Aerogels Derived from Carrageenan/NiCo-MOF Hydrogels as an Efficient Electrocatalyst for Oxygen Evolution in Rechargeable Zn–Air Batteries发表在《Langmuir》上。通讯作者是河北大学李玲教授、赵晓辉副教授、张文明副教授。

参考文献：

doi.org/10.1021/acs.langmuir.2c00805