Hierarkisk porøse kulstofnetværk indlejret med enkelte jernsteder til effektiv iltreduktion

I øjeblikket lider oxygenreduktionsreaktion (ORR) af træg kinetik og højt overpotentiale, hvilket normalt kræver dyre platin (Pt)-baserede materialer. Enkeltatom-overgangsmetalkatalysatorer (M–N–C), såsom Fe–N₄ og Co-N₄ med høj ORR-aktivitet er blevet undersøgt og anses for at være de mest lovende katalysatorer til at erstatte ædelmetaller. Imidlertid hindrede den lave aktive stedtæthed og det tykke katalysatorlag i elektroden i høj grad elektrodens masseoverførsel. Forskellige metoder er blevet vedtaget for at løse dette problem - for eksempel ved at bruge hierarkisk porøs struktur og ultratynde kulstofsfærer som bærere.

Et hold ledet af Dr. Shuangyin Wang (State Key Laboratory of Chemo/Bio-Sensing and Chemometrics, College of Chemistry and Chemical Engineering, National Supercomputer Centres i Changsha, Hunan University) fandt ud af, at de hidtil rapporterede katalysatorer eksisterer i form af nanostrukturerede pulvere og kræver yderligere bindemidler for at danne katalysatorlaget, hvilket kraftigt reducerede ledningsevnen og masseoverførselsevnen. Det er fortsat en stor udfordring at samle det porøse kulstof til en 3D-integreret struktur, og der er ingen enkel og effektiv metode til at forberede kontrollerbar porestruktur i elektroder med stort område.

"Vi er inspireret af den neuronale struktur i organismens hjerne og udvikler en effektiv strategi til at fremstille selvunderstøttet fleksibel porøs struktur med den høje tæthed af B, F co-doterede Fe enkeltatomsteder (Fe–SA–FPCS). Som kan ses på billedet, er hver porøs kulstofkugle forbundet med flere kulfibre. Denne struktur er meget gavnlig for elektrontransporten og for at opbygge den trefasede grænseflade, der kræves til reaktionen," sagde Wang.

Fe–SA–FPCS viser et højt ORR-halvbølgepotentiale (0,89 V vs. RHE), meget højere end 20 % Pt/C (0,83 V vs. RHE). Når den bruges direkte som en elektrode i flydende Zn-luft-batterier, udviser Fe-SA-FPCS en høj afladningseffekttæthed på 168,4 mW cm ^{- 2} og overlegen holdbarhed. Det fleksible solid-state batteri, der er samlet af Fe–SA–FPCS, viser en stabil opladnings- og afladningskapacitet ved 1 mA cm ^{− 2} . Den fremragende ydeevne stammer fra den hierarkiske porestruktur, høj tæthed af aktive steder og ledende netværk. Holdet viste, at denne syntetiske protokol kunne være meget nyttig til produktion af lovende elektrodematerialer i fremtiden.

Forskningen blev offentliggjort i Science China Chemistry . + Udforsk yderligere

Forskere udvikler integrerede elektroder til fleksible superkondensatorer med høj energitæthed