华东理工大学：Fe3C修饰的N/Fe共掺杂空心碳微球，用于锌空气电池

成果简介

高效的金属空气电池需要低成本的活性催化剂用于氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）。本文，华东理工大学胡硕真、张新胜教授等研究人员在《ChemistrySelect》期刊发表名为“Fe3C Decorated N, Fe Co-Doped Hollow Carbon Microspheres as Efficient Air Electrode Catalyst for Zinc-Air Battery”的论文，研究提出一种简单的缩聚/热解方法，以三聚氰胺、d-葡萄糖和六亚甲基四胺为前体合成 Fe 和 N 共掺杂的空心碳球 (Fe-M/G/H)。通过以Fe为催化剂的N掺杂碳球的热解制备中空结构。

空心微球结构不仅暴露出更多的活性位点（掺杂-N、Fe-N x和Fe 3 C），而且还促进了O2的传质. Fe-M/G/H在碱性介质中具有优异的ORR性能，具有高极限电流密度（5.09mA cm -2）和半波电位（0.80V）。Fe-M/G/H 的OER活性优于商业 Pt/C。Fe-M/G/H组装的锌空气电池表现出高峰值功率密度（90.27mW cm-2）和长稳定性。该研究为设计具有均匀分散的Fe-Nx /Fe3C活性位点和高掺杂N 浓度的中空碳催化剂提供了一种新方法。

图文导读

方案一、Fe-M/G/H的合成过程

图2、(ab) SEM 图像，(c) EDS 光谱，和 (d) Fe-M/G/H 的元素含量。

图3、(a) XRD 图案，(b) C 1s 的 XPS，(c) M/G/H-800 和 Fe-M/G/H 的 XPS N 1s 光谱，和 (d) XPS Fe 2p 核心级光谱铁-M/G/H。

图4、(a) LSV 和 (b) 扩散限制电流密度和半波电位，(c) M/G/H-800、20 wt % Pt/C 和 Fe-M/G/H 催化剂的 Tafel 图，(d ) Fe-M/G/H 在不同转速下的 LSV（插图：电子转移数），(e) OER LSV，和 (f) Fe-M/G/H 和 20 wt % 的 ORR 和 OER 活性的比较在O 2饱和的0.1 M KOH溶液(1600 rpm)中的Pt/C催化剂。

图5、(a) 一次锌空气电池的示意图，(b) 放电极化，(c) 使用 Fe-M/G/H 和 20 wt % Pt/C 作为空气阴极的锌空气电池的功率密度曲线， (d) 可充电锌空气电池在 Fe-M/G/H 和 20 wt % Pt/C 催化剂上的性能，循环速率为 10 mA cm -2，持续时间为 20 分钟/循环。

小结

总之，成功地合成了具有精细和高度分散的 Fe-Nx部分、掺杂的N和Fe3C颗粒的空心碳微球，用于ORR和OER。这里的工作为合理设计具有大表面积空心微球和高度分散的Fe-N x、掺杂的N和Fe3C活性位点的Fe-N-C催化剂提供了一种新方法。

文献：

https://doi.org/10.1002/slct.202201503