夏宝玉团队最新ACSnano，水合肼燃料电池新进展

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　　第一作者：YaYan，JunYeZhang，XueRongShi
　　通讯作者：王现英，夏宝玉
　　通讯单位：中科院上海硅酸盐研究所，华中科技大学
　　DOI：https：doi。org10。1021acsnano。1c02440
　　全文速览
　　水合肼燃料电池是一种有前途的可持续能源技术。然而，贵金属催化剂的价格和储量阻碍了该技术的实际应用。为了说明纳米结构非贵金属电催化剂改进的扩散反应动力学，作者报道了一种高效的沸石咪唑骨架衍生的三功能电催化剂，用于肼氧化、氧气和过氧化氢还原。实验结果和理论计算证实了具有丰富CoN物种的纳米碳结构增强了电子相互作用并优化了阳极肼氧化和阴极氧还原的能垒。组装的肼氧燃料电池的电池电压和功率密度分别为0。74V和20。5mWcm2。此外，得益于液液扩散，肼过氧化氢电池显示出更高的电池电压和功率密度，为1。68V和41。0mWcm2。这项工作提供了一种高活性的非贵金属多功能电催化剂，开创性地在液体电化学电池中应用了扩散原理提升性能。
　　背景介绍
　　不断增长的能源需求最终引发了对可持续能源转换技术的需求。因此，不依赖化石燃料的替代能源正受到广泛关注。在可再生能源技术中，肼燃料电池因其高理论功率密度有广泛前景。然而，肼燃料电池中涉及的电化学反应缓慢的反应动力学和有限的扩散特性降低了整体电池性能。
　　非贵金属电催化剂是电化学反应中贵金属催化剂的潜在替代品。有利于催化的结构设计将提高过渡金属复合材料在肼燃料电池的活性。最近，沸石咪唑骨架（ZIF）经常被用于合成高活性过渡金属纳米碳电催化剂，其中丰富的金属氮碳物种是氧还原的活性位点。然而，这些ZIF衍生的纳米催化剂在肼氧化中表现出较差活性。此外，肼氧（N2H4O2）燃料电池的功率电流密度也完全受到液体电池中缓慢的气液扩散动力学的影响。与水电解质中有限的气液扩散动力学相比，均相液液扩散是加速电催化和提高电池性能的不错选择。因此，合理设计具有更快扩散动力学的多功能电催化剂将具有重要意义。
　　图文解析
　　图1。（a）NCCoNC多面体的合成示意图。（b、c）SEM、（d、e）TEM和（f）高分辨率（HR）TEM图像。
　　图2。NC、CoNC和NCCoNC样品的（a）XRD图，（b）N2吸附等温线，（c）孔径分布曲线，（d）高分辨率N1sXPS光谱，（e）相应的N物质含量比较，（f）拉曼光谱。
　　图3。（a）NCCoNC在不同肼浓度下测试的CV曲线。（b）NCCoNC、CoNC、NC和PtC在0。1MPBS50mM肼中的HzORCV曲线。（c）0。1MKOH中ORR的LSV曲线。（d）NCCoNC在不同转速下的LSV曲线。（e）NCCoNC在不同H2O2浓度下的CV曲线。（f）含0。05MH2O2的1。0MKOH溶液中的LSV曲线。
　　图4。（a）CoCNT和（b）CoNCNT的电荷密度分布（黄色的积累区域和青色的耗尽区域）和LPDOS。（c）CoCNT（顶部）和CoNCNT（底部）上的Gibbs自由能分布和相应的HzOR反应途径。
　　图5。（a）HzOR、ORR和HpRR的反应电势示意图。（b）PtC、NC、CoNC和NCCoNC在N2H4O2以及（c）N2H4H2O2电池性能。（d）肼燃料电池性能总结。
　　总结与展望
　　上述结果表明，作者报道了一种用于肼氧化、氧还原和过氧化氢还原的沸石咪唑骨架衍生的三功能电催化剂。实验和计算结果表明，所得到的具有丰富CoN物种的中空纳米碳有效地增强了电子相互作用并优化了电化学反应的能垒，从而有助于增强阳极肼氧化和阴极氧还原过氧化氢还原的活性。因此，构建的N2H4O2燃料电池可以产出0。74V的电池电压以及20。5mWcm2的功率密度。受益于液液扩散，NCCoNC电催化剂可以在N2H4H2O2电池中输出1。68V的电池电压和41。0mWcm2的功率密度。因此，基于实验结果和理论计算，这项工作将为能量转换技术的非贵金属催化剂的设计和制备提供新的策略。