【原】大连理工大学GuangLan Li课题组--原子分散的Mn-Nx嵌入介孔N掺杂非晶碳中的合理构建用于锌空气电池中的高效氧还原反应

  高效的单原子过渡金属-氮-碳（M-N-C）电催化剂是可再生能源领域中用于氧还原反应（ORR）的铂族金属（PGM）基催化剂最有前景的替代品之一。然而，由于缺乏简便且具有成本效益的合成策略，它们的大规模应用非常具有挑战性。在这里，原子分散的Mn-N_x介孔 N 掺杂无定形碳(MnNC)是通过热解由Mn离子与菲咯啉反应生成的含Mn-Nx的复合物来设计的。由于在大介孔无定形碳上原子分散的Mn-N_x部分，所得的MnNC表现出极好的ORR性能，由0.86 V的半波电位和长时间计时电流法测试后的轻微衰减证明，这超过了商业Pt/C和大多数报道 锰基催化剂。此外，基于MnNC的锌空气电池具有出色的性能，包括130.0 mW cm^-2的峰值功率密度和819.0 mAh gZn^-1的比容量以及可连续放电60小时的突出耐久性。这种简便且可扩展的制备方法为高性能ORR催化剂的结构提供了一种新颖的单原子设计方向。

图 1. MnNC的(a)SEM、(b)TEM、(c)HRTEM和(d)HAADF-STEM图像（部分原子位点以红色圈出）。(e) MnNC催化剂的 C、N、O和Mn元素的映射图像。

图 2.(a)XRD谱图，(b)拉曼光谱，(c)N₂吸附-解吸等温线，以及(d)MnNC、MnNC-AL 和 NC催化剂的孔径分布。

图 3.(a)MnNC、MnNC-AL和NC催化剂的XPS测量光谱。(b)MnNC和MnNC-AL的高分辨率Mn 2p 光谱。(c) 高分辨率N 1s光谱。(d) MnNC、MnNC-AL和NC 的 Mn-Nx、石墨N和吡啶N的拟合相对含量。(e) MnNC、Mn箔、MnPc、Mn2O3、Mn3O4、MnO和MnO2的Mn K-edge XANES。(f) MnNC 和MnPc的R空间傅立叶变换 EXAFS 拟合曲线。(g)MnNC和(h)MnPc的小波变换 (WT) EXAFS 图。

图 4.(a)LSV曲线和(b)MnNC、MnNC-AL和NC催化剂与Pt/C相比的Tafel斜率。(c) MnNC在400到2500rpm不同速度下的LSV曲线。插图，相应的K-L图和不同电位下的电子转移数 (n)。(d) MnNC、MnNC-AL和NC催化剂的奈奎斯特图。(e)MnNC和Pt/C催化剂在O₂饱和的0.1 M KOH中的甲醇耐受性测量，在500秒时添加3.0 M CH₃OH。(f)MnNC和Pt/C催化剂的 I-t 测试。

图 5. (a)配备MnNC催化剂的ZAB的开路电位。(b)分别使用MnNC和Pt/C催化剂作为阴极的ZABs的放电极化曲线和功率密度。(c)不同电流密度下的恒电流放电曲线。(d)MnNC 和 Pt/C基ZAB在10 mA cm^-2电流密度下的典型恒电流放电曲线。(e)MnNC和Pt/C基ZAB的电压-容量曲线。(f)由两个串联的ZAB供电的红色LED的照片。

   相关科研成果由大连理工大学Guang-Lan Li等人于2021年发表在ACS Sustainable Chemistry & Engineering（https:///10.1021/acssuschemeng.1c05882）上。原文：Rational Construction of Atomically Dispersed Mn-Nx Embedded in Mesoporous N-Doped Amorphous Carbon for Efficient Oxygen Reduction Reaction in Zn-Air Batteries。