吉林大学管景奇Angew.：三原子钴氧电催化剂|三原子|催化剂|吉林大学|新型高温超导体|活性|电化学|管景奇|络合物

研究内容

可充电锌空气电池的进步在很大程度上取决于双功能氧气电催化剂，提供出色的氧气还原/析出反应（ORR/OER）性能。然而，设计具有优异双功能活性和稳定性的电催化剂仍然具有挑战性。

吉林大学管景奇采用超快印刷方法将三原子钴络合物前体有效地嵌入石墨烯纳米片上，获得三原子催化剂（Co3-NG），在电催化ORR（Ehalf=0.903 V）和OER（Ej=10=1.596 V）中表现出耐用和优异的双功能催化剂。Co3-NG组装锌空气电池在330 mA cm−2下的最大功率密度为189.0 mW cm-2，在25°C的测试条件下，可以在3000次循环内进行充放电，明显优于Pt/C+RuO2基准（146.5 mW cm-2 360次循环）。相关工作以“A Triatomic Cobalt Catalyst for Oxygen Electrocatalysis”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

研究要点

要点1. 作者开发了一种超快打印方法，可以有效抑制原子迁移并精确合成目标三原子活性位点。在该方法中，预合成的三原子钴配合物前体通过静电作用吸附在载体上，然后通过超快焦耳热热解获得掺氮三原子钴催化剂（Co3-NG）。

要点2. Co3-NG在电催化ORR（Ehalf=0.903 V）和OER（Ej=10=1.596 V）中表现出耐用和优异的双功能催化剂。Co3-NG组装锌空气电池在330 mA cm−2下的最大功率密度为189.0 mW cm-2，在25°C的测试条件下，可以在3000次循环内进行充放电，明显优于Pt/C+RuO2基准（146.5 mW cm-2 360次循环）。

要点3. 原位X射线吸收光谱（XAS）和理论模拟结果表明，具有三角锥体结构的Co3ON6活性位点的构建有效地调节了反应中间体的吸附模式和d带中心，使催化剂具有良好的ORR/OER双功能活性。

这项工作揭示了三原子活性中心的几何形状和电子结构在提高电化学能源应用的双功能ORR/OER性能方面起着关键作用。

研究图文

图1.（a）Co3-NG的合成图。（b，c）HRTEM。（d）HRTEM和（e）相应的EDS映射。（f，g）像差校正的HAADF-STM。（h-j）原子间距离评估。

图2.（a）ORR偏振曲线。（b）塔菲尔斜坡。（c）不同扫描速率下Co3-NG的ORR偏振曲线（插图：K-L图）。（d）H2O2产量和n。（e）电容电流与扫描速率的关系。（f）0.5 V vs. RHE下的稳定性评估。（g）甲醇耐受性试验（3 M）。（h）OER LSV曲线。（i）Co3-NG的i-t曲线。（j）OER/ORR双功能曲线。

图3.（a，b）不同电位下Co k-edge原位XANES和FT-EXAFS光谱。（c-f）OCP、0.9、0.85和0.8 V下的Co k-edge FT-EXAFS。

图4.（a）在Co3-NG（c，d）ΔG ORR和OER图上提出的ORR/OER机制。（d）Co3-NG、Co2-NG和Co1-NG中Co3-NG（e，f）DOS和Co 3d轨道PDOS的电荷密度差。

图5.（a）ZAB的示意图。（b）OCV曲线。（c）充放电极化曲线。（d）放电极化和功率密度曲线。（e）10mA cm−2下的比容量。（f）恒定放电曲线。（g）在5 mA cm−2下进行循环测试。（h）柔性ZAB的OCV曲线。（i）在2 mA cm−2下进行循环测试。（j）通过弯曲到0°、90°和180°，在2 mA cm−2下进行循环测试。

文献详情

A Triatomic Cobalt Catalyst for Oxygen Electrocatalysis

Tianmi Tang, Xiaoqin Xu, Xue Bai, Changmin Hou, Tao Gan, Zhenlu Wang, Jingqi Guan*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI:https://doi.org/10.1002/anie.202503019