中南大学雷永鹏团队Nano Letters：精细调控Fe−N4−C位点，实现超长寿命固态ZABs！

第一作者：郑焕然

通讯作者：雷永鹏

通讯单位：中南大学

论文速览：

本研究通过在碱性介质中实现原子Fe−N4−C位点上的耐用双功能氧电催化，显著提高了Zn−O2电池（ZABs）的稳定性和性能。

通过NixCo3−xO4对Fe−N4−C位点的空间位阻作用，改变了Fe−N4−C位点的价电子，导致Fe−N键缩短并增强了位点的稳定性。

相应的固态ZABs展现出超长寿命（在5 mA cm−2下超过460小时）以及高倍率性能（从2到50 mA cm−2）。

此外，还探讨了NixCo3−xO4@Fe1/NC在OER和ORR以及充放电循环前后的结构演变。本工作为提高双功能氧电催化以及其他过程的效率开发了一种有效的策略。

图文导读：

图1：展示了NixCo3−xO4@Fe1/NC的合成和表征。包括合成示意图、XRD图谱、TEM图像、HRTEM图像、AC-HAADF-STEM图像以及EDS元素分布图。

图2：对NixCo3−xO4@Fe1/NC的结构进行了分析。包括Ni 2p、Co 2p和O 1s的高分辨率XPS光谱，以及Fe K-edge和Co K-edge的XANES和FT-EXAFS光谱。

图3：评估了NixCo3−xO4@Fe1/NC的ORR和OER电催化性能。包括ORR曲线、Jk值、Tafel图、OER曲线、EIS以及长时间稳定性测试。

图4：展示了NixCo3−xO4@Fe1/NC在氧电催化过程中的结构演变。包括Fe 2p、Co 2p和Ni 2p的高分辨率XPS光谱，以及原位拉曼光谱。

图5：分析了NixCo3−xO4@Fe1/NC在ZABs充放电前后的结构变化。包括不同电流密度下的速率曲线、恒流充放电循环曲线、与已报道的ZABs性能比较以及XPS光谱。

亮点介绍：

1. 通过调节原子Fe−N4−C位点的价电子和空间位阻，实现了在碱性介质中的耐用双功能氧电催化。

2. 与原始Fe1/NC相比，氧进化反应（OER）的稳定性提高了10倍。

3. 固态ZABs展现了超长寿命（>460小时）和高倍率性能（2至50 mA cm−2）。

4. 研究了NixCo3−xO4@Fe1/NC在OER和ORR以及充放电循环过程中的结构演变，为理解电池性能提供了深入见解。

5. 该策略还可扩展到其他Co基尖晶石氧化物，为设计高效稳定的双功能电催化剂开辟了新途径。

高端表征：

1. 透射电镜（TEM）：

作者使用了透射电子显微镜（TEM）来观察催化剂的微观结构。TEM图像揭示了氧化物纳米颗粒在Fe1/NC载体上的分布情况，这有助于了解催化剂的形态和分散性。

高分辨率TEM（HRTEM）图像进一步展示了NixCo3−xO4的(311)晶面的晶格间距，这一观察结果对于确定催化剂的晶体结构和晶面取向具有重要意义。

2. 同步辐射X射线吸收精细结构（XAFS）：

通过Fe K-edge的X射线吸收近边结构（XANES）测试，作者观察到NixCo3−xO4@Fe1/NC的吸收边接近于Fe2O3的标准样品，这表明Fe在催化剂中主要处于+3的氧化态。

傅里叶变换扩展X射线吸收精细结构（FT-EXAFS）结果显示，Fe−N的配位键长为2.004 Å，这一发现对于理解Fe单原子位点的局域配位环境和电子结构具有关键作用。

文献信息：

标题：Highly Reversible Zn−Air Batteries Enabled by Tuned Valence Electron and Steric Hindrance on Atomic Fe−N4−C Sites

期刊：Nano Letters

DOI：10.1021/acs.nanolett.4c01078

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