研究内容

开发用于析氧反应（OER）和氧还原反应（ORR）的先进双功能催化剂对于可充电锌空气电池（ZABs）具有重要意义。

扬州大学庞欢/皮业灿提出了一种独特的双活性中心合金化策略，实现了高效的双功能氧催化，进一步利用高熵效应来调节催化剂的结构和性能。采用MOF辅助热解置换合金化方法构建了CoCuFeAgRu高熵合金（HEA），该合金均匀地锚定在多孔氮掺杂碳纳米片中。获得的HEA催化剂对ORR和OER都表现出优异的催化性能，峰值功率密度为136.53 mW cm -2 和987.9 mAh g Zn -1 的能量密度，超过了之前报道的大多数双功能氧电催化剂。柔性可充电ZABs即使在-40°C的超低温下也能保持优异的性能，能量密度为601.6 mAh g Zn -1 ，循环稳定性高达1650小时。实验和理论计算结果表明，HEA催化剂优异的双功能催化活性源于Ag和Ru双活性中心的协同效应，以及合金化效应对电子结构的优化。相关工作以“High-Entropy Ag-Ru-based Electrocatalysts with Dual-ActiveCenter for Highly Stable Ultra-Low-Temperature Zinc-Air Batteries”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

研究要点

要点1.作者采用二维MOF辅助热解置换合金化方法合成了固定在多孔氮掺杂碳纳米片上的CoCuFeAgRu HEA。Ag和Ru分别作为ORR和OER的高活性催化中心，通过合金化效应调节电子结构，这种合理设计的CoCuFeAgRu HEA催化剂对ORR和OEMR都表现出低过电位和优异的循环稳定性。

要点2.采用CoCuFeAgRu HEA阴极的可充电锌空气电池（ZABs）的功率密度为136.53 mW cm -2 ，能量密度为987.9 mA h g Zn -1 ，均优于Pt/C+RuO 2 混合催化剂。

要点3.具有CoCuFeAgRu HEA阴极和水凝胶电解质的组装可充电柔性固态电池可以在-40°C下支持1650多个小时的运行。高活性Ru和Ag作为空气阴极在HEA中的协同集成从未有过报道。

研究图文

图1. （a）CoCuFeAgRu HEA合成过程示意图。CoCuFeAgRu HEA的（b）SEM，（c，d）TEM。（d）插图：HRTEM。CoCuFeAgRu HEA的（e）HAADF-STEM和相应的EDS元素，（f）XRD。（g）CoCuFeAg MEA和CoCuFeAgRu HEA的Ag 3d XPS。（h）CoCuFeRu MEA和CoCuFeAgRu HEA的Ru 3p XPS。

图2.（a）在0.1 M KOH中，转速为1600 rpm时，CoCuFeAg MEA、CoCuFeRu MEA、CoCu FeAgRu HEA和Pt/C的ORR极化曲线。（b）不同样品在0.80 V vs RHE下的E 1/2 和J k 。（c）CoCuFeAgRu HEA和Pt/C在0.9 V vs RHE下的计时安培法。插图:CoCuFeAg-Ru HEA在5000次电位循环前后的ORR极化曲线。（d）Ag（111）（黑线）和CoCuFeAgRu HEA（红线）的ORR自由能图。CoCuFeAg MEA、CoCuFeRu MEA、CoCu FeAgRu HEA和RuO 2 在1 M KOH中的（e）OER极化曲线和（f）塔菲尔图。（g）CoCuFeAg MEA、CoCuFeRu MEA、CoCuPeAgRu HEA和RuO 2 +Pt/C的∆E比较。（h）CoCuFeAgRu HEA与其他报道的双功能电催化剂的双功能活性比较。

图3. 水性ZABs的性能。

图4. FSZABs的性能。

文献详情

High-Entropy Ag-Ru-based Electrocatalysts with Dual-ActiveCenter for Highly Stable Ultra-Low-Temperature Zinc-Air Batteries

Ziming Qiu, Xiaotian Guo, Shuai Cao, Meng Du, Qinchao Wang, Yecan Pi,* Huan Pang*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI : https://doi.org/10.1002/anie.202415216

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