三维碳骨架支撑的Ni3FeN双功能催化剂用于高电流密度可逆锌空气电池

　　可逆锌空气电池由于价格低廉、环境友好和能量密度高（1084Wh kg-1）等优势，在便携式交通工具和能量储存器件应用方面具有巨大潜力。该电池的核心组分是驱动氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)的双功能催化剂，由于贵金属催化剂Pt/C和IrO2价格昂贵和储量稀少，因此发展廉价、高效的双功能催化剂，对于推动可逆锌空气电池的实际应用具有重要意义。 

　　氮化物，如Ni3FeN等，因其独特的电子结构和半金属特性，在电催化氧气还原反应(OER)中，表现出优异的性能。但是将Ni3FeN应用于可逆锌空气电池中，面临两个瓶颈问题：1）氮化物的ORR活性低；2）氮化物的在合成过程（氨气气氛煅烧）中易团聚，难以得到更小尺寸、更多活性位暴露的氮化物，阻碍其OER性能的进一步提升。 

　　中科院理化所张铁锐研究员团队利用组分间的协同效应，可控制备了一种钴氮共掺杂碳载体(Co,N-CNF)负载14nm氮化镍铁的纳米双功能催化剂。其中，Co,N-CNF不仅具有优良ORR性能，并可有效减轻Ni3FeN在高温合成过程中的团聚问题，从而缩小其尺寸，使得该复合催化剂的OER性能明显优于IrO2，ORR性能超过Pt/C，而且该复合催化剂可在可逆锌空气电池的高电流密度(50mA cm-2)下稳定工作。该策略为设计和合成多功能催化剂提供了新思路。相关成果发表在国际能源知名期刊Nano Energy。 

　　图1. Ni3FeN/Co,N-CNF的结构示意图 

　　利用北京同步辐射装置（BSRF）X射线吸收谱技术测试Ni和Fe元素的X-ray近边吸收结构(XANES)。Ni3FeN/Co,N-CNF复合物中小尺寸（14nm）的Ni3FeN，大部分Ni，Fe元素为0价，极少数Ni，Fe元素表现出氧化态+2价和+3价。该结果与文献报道相对应，Ni3FeN主体为金属态，表面有氧化层，说明该工作中小尺寸Ni3FeN在室温空气中非常稳定，并没有被完全氧化。 

　　图 2. Ni3FeN/Co,N-CNF中元素Ni 2p和 Fe 2p 的XPS和XANES图谱 

　　发表文章： 

　　Qing Wang1, Lu Shang1, Run Shi, Xin Zhang, Geoffrey I.N. Waterhouse, Li-Zhu Wu, Chen-Ho Tung, Tierui Zhang,* 3D Carbon Nanoframe Scaffold-immobilized Ni3FeN Nanoparticle Electrocatalysts for Rechargeable Zinc-Air Batteries’ Cathodes. Nano Energy 40 (2017) 382–389.