通过增强介观质量传输优化有序介孔碳纳米纤维中的氧还原反应
学术背景
随着全球对绿色能源需求的不断增长，燃料电池和金属空气电池因其高能量密度而被认为是能源转换和存储的潜在解决方案。然而，这些技术的商业化进程受到阴极氧还原反应（Oxygen Reduction Reaction, ORR）动力学的限制。目前，铂（Pt）及其合金因其高效的四电子过程和优异的催化性能，被视为最有效的ORR电催化剂。然而，铂的稀缺性和高昂成本促使科研人员寻找非贵金属甚至无金属的电催化剂，以替代铂基材料。
碳基材料因其高导电性、低成本和耐腐蚀性，被认为是潜在的替代材料。然而，与铂基催化剂相比，碳基材料通常需要更高的负载量才能达到相似的性能。高负载量会导致质量传输阻力增加，进而影响设备的整体性能。因此，开发能够在高负载条件下保持高效反应物传输的碳材料，成为当前研究的重要方向。
论文来源
本论文由Chuyi Zhao、Lei Tan、Jingsan Xu、Xiaotong Wu、Yuanyuan Cui、Chao Lin、Xiaopeng Li、Teng Long和Wei Luo共同完成，作者来自东华大学、昆士兰科技大学、宁波工程学院和上海交通大学等机构。论文于2024年11月19日发表在Advanced Fiber Materials期刊上。
研究流程
1. 有序介孔碳纳米纤维（OMCNFs）的合成
研究团队通过静电纺丝技术制备了有序介孔碳纳米纤维。首先，以聚苯乙烯（PS）和聚环氧乙烷-聚苯乙烯（PEO-b-PS）嵌段共聚物为软模板，树脂（resol）为碳源，制备了前驱体溶液。在静电纺丝过程中，快速溶剂蒸发导致胶束（micelle）聚集并自组装形成有序结构。随后，通过热解去除模板，得到有序介孔碳纳米纤维（OMCNFs）。
2. 氮硫共掺杂有序介孔碳纳米纤维（NS-OMCNFs）的制备
为了进一步提高催化性能，研究团队通过热解硫脲的方法，将氮（N）和硫（S）元素掺杂到OMCNFs中。具体步骤包括将OMCNFs与硫脲混合，并在氮气气氛下热解，最终得到氮硫共掺杂的有序介孔碳纳米纤维（NS-OMCNFs）。
3. 电化学性能测试
研究团队对NS-OMCNFs进行了氧还原反应（ORR）性能测试，并与无序介孔碳纳米纤维（NS-NMCNFs）和商用Pt/C催化剂进行了对比。测试包括线性扫描伏安法（LSV）、旋转环盘电极（RRDE）测试和电化学阻抗谱（EIS）分析。
4. 锌空气电池性能评估
为验证NS-OMCNFs的实际应用潜力，研究团队将其作为空气电极组装了锌空气电池（ZAB），并测试了其放电性能、功率密度和循环稳定性。
主要结果
1. 结构表征
扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）图像显示，NS-OMCNFs具有连续的长纤维结构，表面光滑且具有均匀的有序介孔。X射线衍射（XRD）和拉曼光谱（Raman）分析表明，氮硫共掺杂成功引入了缺陷位点，提高了材料的电催化活性。
2. 电化学性能
ORR测试表明，NS-OMCNFs在碱性介质中表现出优异的催化活性，其半波电位（E1/2）为0.85 V，与商用Pt/C相当。在增加催化剂负载量后，NS-OMCNFs的性能进一步提升，而Pt/C则因质量传输阻力增加而性能下降。电化学阻抗谱（EIS）分析显示，NS-OMCNFs的氢氧根离子扩散系数（DOH-）是NS-NMCNFs的26倍，是Pt/C的206倍。
3. 锌空气电池性能
组装的水性电解质锌空气电池中，NS-OMCNFs的最大功率密度达到122.4 mW/cm²，显著高于Pt/C。在固态电解质锌空气电池中，NS-OMCNFs也表现出优异的循环稳定性，经过40小时充放电循环后仍保持稳定性能。
结论
本研究成功合成了氮硫共掺杂的有序介孔碳纳米纤维（NS-OMCNFs），其在氧还原反应中表现出优于传统铂基催化剂和无序介孔碳纤维的性能。有序介孔结构显著提高了质量传输效率，从而实现了在高负载条件下的优异电催化性能。此外，NS-OMCNFs在锌空气电池中的应用展示了其在实际能源设备中的巨大潜力。
研究亮点
- 有序介孔结构：通过静电纺丝和自组装技术，成功制备了具有有序介孔结构的碳纳米纤维，显著提高了质量传输效率。
- 氮硫共掺杂：通过热解硫脲的方法，成功将氮和硫元素掺杂到碳纤维中，引入了大量活性位点，提高了催化性能。
- 高负载性能：NS-OMCNFs在高催化剂负载量下仍能保持优异的电催化性能，克服了传统催化剂在高负载条件下性能下降的问题。
- 实际应用潜力：在锌空气电池中，NS-OMCNFs表现出高功率密度和优异的循环稳定性，展示了其在实际能源设备中的应用价值。
其他有价值的信息
本研究得到了中国国家自然科学基金（52225204、52173233、52402231）和上海市教育委员会创新计划（2021-01-07-00-03-E00109）等项目的资助。