發布：2018-1-23 武漢理工大學經緯網
近期，武漢理工大學木士春教授研究組、Francis Verpoort教授團隊通過將金屬有機骨架（MOF）作為前驅體，制備了一系列異質原子摻雜的多功能碳納米材料，展現出優異的氧還原反應（ORR）和析氧反應（OER）催化性能及可充鋅空氣電池性能。連續在國際材料研究領域頂級學術期刊《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)（影響因子IF=12.124)上發表了3篇相關學術論文，而且3篇論文均入選熱點論文，提高了我校在可充鋅空氣電池研究方面的國內外影響力。
鋅空氣電池作為一種子金屬空氣電池，是以空氣中的氧為正極活性物質，金屬鋅為負極活性物質將化學能轉變為電能的裝置。可充鋅空氣因具有電池容量大、比能量高（1084Wh/kg-1）、工作電壓平穩、自放電少、安全性高和環保等優點，有望在新能源汽車、便攜式電源、信號裝置等應用方面得到廣泛普及。然而，由于缺乏高效的ORR和OER催化劑，可充鋅空氣電池循環壽命通常較短。而且，可充鋅空氣電池使用的都是昂貴的金屬催化劑（如鉑和氧化銥等），急需要一種原材料豐富、價格低廉且性能高的催化劑作為替代。
對此，我校木士春教授研究組通過Mo-N界面耦合作用，將MoS2納米片垂直封裝在由MOF（metal-organic framework）衍生的氮摻雜碳（N/C）材料中，制備出了一種先進的多功能電催化劑（Mo-N/C@MoS2）。結合實驗和密度泛函理論（DFT）計算研究，這一催化劑表現出非常高的ORR、OER和析氫反應（HER）催化活性及穩定性。當該催化劑作為可充鋅空電池的陰極電催化劑時，表現出了優異的電輸出性能：最高能量密度高達196.4 mW cm–2，5mA cm-2電流密度下效率高達63%，25 mA cm-2電流密度下的循環穩定性超過了48h。這些優異的性能可歸功于其獨特的三相活性點（MoS2邊緣缺陷活性點、Mo-N界面耦合中心活心點和N-C活性點）和有利于擴散及傳質的分級多孔結構。該成果已發表在《先進功能材料》(AdvancedFunctional Materials, 2017, 27, 1702300)期刊上。論文第一作者為來自非洲加納的博士研究生Ibrahim Saana Amiinu。論文發表后，受到了廣泛關注，單月下載量曾高居前6。
隨后，木士春教授研究組又從3維ZIF （zeolitic imidazolate framework）納米晶體出發，制備出了一種Co/N共摻雜碳納米陣列（Co-Nx/C NRA）催化劑，其ORR、OER催化活性及穩定性分別優于貴金屬Pt/C、IrO2催化劑，而且還展現出高的鋅空電池性能。其優異的電催化性能很大程度上可歸功于催化劑化學組分之間的協同效應、高比表面積以及擁有大量活性位點的納米棒結構。通過結合實驗分析和DFT計算研究，確定了催化劑的活性位點。該成果已在《先進功能材料》（AdvancedFunctional Materials, 2018, 28, 1704638）期刊上在線發表。論文第一作者同樣為其研究組博士研究生Ibrahim SaanaAmiinu。
此外，木士春教授研究組還與我校FrancisVerpoort（王光明）教授千人研究團隊進行緊密合作，采用由2維葉片狀雙金屬（Co/Zn）ZIF衍生的氮摻雜碳納米管封裝的Co納米粒子催化劑（Co-N-CNTs）作為可充鋅空氣電池雙功能催化劑，表現出了優異的電池充放性能。制備的可穿戴柔性全固態鋅空電池，在彎折條件下仍能持續穩定地輸出電源。該成果已在《先進功能材料》（Advanced Functional Materials, 2018, 28, 1705048）期刊上在線發表。論文通訊作者分別為FrancisVerpoort教授和木士春教授，博士研究生王婷婷和寇宗魁為共同一作。
該項研究獲得了國家重點研發計劃（2016YFA0202603）和國家自然科學基金（51372186，51672204，21502146）的資助。
文章鏈接
1) Ibrahim Saana Amiinu, Zonghua Pu, Xiaobo Liu, Kwadwo AsareOwusu, Hellen Gabriela Rivera Monestel, Felix Ofori Boakye, Haining Zhang,and Shichun Mu. Multifunctional Mo-N/C@MoS2 electrocatalyst forHER, OER, ORR and Zn-air batteries. Advanced Functional Materials, 2017, 27(44),1702300.
2）Ibrahim SaanaAmiinu, Xiaobo Liu, Zonghua Pu, WenqiangLi, Qidong Li, Jie Zhang, HaolinTang, Haining Zhang, Shichun Mu. From3D ZIF Nanocrystals to Co-Nx/C Nanorod Array Electrocatalysts for ORR, OER andZn-air Batteries. Advanced Functional Materials, 2018, 28, 1704638.
3） TingtingWang#, Zongkui Kou#, Shichun Mu,Jinping Liu, Daping He, Wen Meng, Ibrahim Saana Amiinu, Kui Zhou, Zhixiong Luo,Somboon Chaemchuen, Francis Verpoort. 2D dual-metal ZIF derived bifunctional air electrodes with ultra-highelectrochemical properties for rechargeable zinc-air batteries. Advanced Functional Materials, 2018, 28,1705048.