【导言】

随着人们对动力需求的急剧增加导致了化石燃料敏捷消耗，然后引发了环境问题的迸发。研讨与开展清洁和可继续动力存储与变换体系成为了当今不行避免的课题。现在，在不同能量存储和变换类型中，可充电充电机充电锌空电池因为成本低、环境友好、安全功用高、比能量密度高级优势引起了人们的广泛重视，在未来动力使用领域起着不行短少的效果。然而关于可充电充电机充电锌空电池而言，最大的难题是开发高效廉价的非贵金属双功用催化剂，以进步氧气在氧复原以及氧分出反响进程中缓慢的动力学，然后进一步进步电池的充放电功率，削减能量损耗。碳载金属氧化物复合资料因为具有杰出的氧复原或氧分出反响活性被人们广泛研讨。其间MnOX因为具有丰厚的氧化态以及共同的化学组成与晶型结构成为公认的氧复原催化剂。此外，作为过渡金属的Ni、Co与MnOX的复合资料现已被广泛报道为高功用双功用催化剂。而碳载过渡金属Fe与MnOX的复合资料却很少有人重视。因而怎么制备作为高活性与高稳定性的碳载铁锰氧化物双功用催化剂依然存在应战。

【效果简介】

近来，东华大学环境学院乔锦丽教授课题组在Science Bulletin上宣布题为“A novel composite (FMC) to serve as a durable 3D-clam-shaped bifunctional cathode catalyst for both primary and rechargeable zinc-air batteries.”的文章，研讨经过两步水热组成及高温焙烧法分别规划、组成了铁-锰-碳基（FMC）系列催化剂。该催化剂呈现出共同的描摹——三维蛤形，具有较大的比外表积。经过改动不同的焙烧时刻制备出不同描摹和活性的FMC-x催化剂，并使用线性伏安法扫描、突变电流发电、长期恒流放电以及恒流充放电等办法对催化剂活性和锌空一次以及二次电池功用进行测验，选用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X-射线衍射（XRD）、物理吸脱附比外表积（BET）等物理光谱表征办法对催化剂的微观描摹结构、催化剂的外表组成成分及催化剂的比外表积进行表征。一起，其间FMC-3的催化活性以及双功用功用显着优于贵金属催化剂、同类型的其他催化剂以及催化剂单体。开路电压(OCV)到达1.48V，功率密度到达349 mW cm-2，远优于20% Pt/C催化剂的118 mW cm-2，一起取得比容量密度780 mAh g-1。此外，在多种充放电条件下亦表现出优异的充放电稳定性，而且结合物理表征技能剖析催化剂电化学测验前后描摹的改动，经过制备其它单体催化剂以及改动热处理条件，剖析了三元催化剂的构成进程及催化机制。

【图文导读】

图. 催化剂制备进程及其在充电机充电锌空电池中的使用示意图

（a）催化剂的组成工程；            

（b）催化剂在充电机充电锌空电池中使用

2. 催化剂的SEM图

（a-c）MnO2催化剂的SEM图；              

（d-f）FMC-3的SEM图

3. 催化剂的TEM图

（a-c）FMC-3的TEM图；    

（d）FMC-3的HRTEM图及FFT图

4. 催化剂的XRD及EDS的剖析

（a-b）催化剂的XRD图；                

（c）FMC-3的EDS图；                        

（d）FMC-3催化剂的元素比例图

5. 催化剂的氧复原以及氧分出功用

-b）不同催化剂的线性扫描图；

（c）FMC-3的电化学稳定性测验图；

（d）FMC-3催化剂在不同转速下的线性扫描图，插图为电子搬运图

6. 催化剂在一次充电机充电锌空电池中的使用及功用

（a）一次充电机充电锌空电池示意图；                                                        

（b）不同催化剂的极化曲线与功率密度图；

（c）FMC-3催化剂极化曲线与功率密度稳定性图；            

（d）长期恒流放电图；

（e）比容量密度图；                                                                    

（f）库仑功率图

7. 催化剂在可充式充电机充电锌空电池中的使用及功用

（a）可充式充电机充电锌空电池示意图；

（b）不同催化剂的充放电极化曲线图;

（c）不同催化剂的充放电图，循环条件为电流密度30mAcm-2，充放电时刻1小时; FMC-3催化剂的充放电图，

（d）循环条件为电流密度20mAcm-2，充放电时刻10分钟;

（e）循环条件为电流密度100mAcm-2，充放电时刻4小时;

（f）循环条件为电流密度60mAcm-2，充电1小时；电流密度15mAcm-2，放电4小时

【小结】

怎么开发高效廉价的非贵金属双功用催化剂关于充电机充电锌空电池而言一直是应战性难题。东华大学乔锦丽教授课题组经过温文的水热法制备出高活性的FMC系列催化剂，该催化剂呈现出共同的描摹——三维蛤形，具有较大的比外表积。该催化剂展现出优异的催化活性、稳定性以及杰出的电池功用， FMC-3的催化活性以及双功用功用显着优于贵金属催化剂、同类型的其他催化剂以及催化剂单体。开路电压(OCV)到达1.48V，功率密度到达349 mW cm-2，远优于20% Pt/C催化剂的118 mW cm-2，一起比容量密度高达780 mAh g-1。

【称谢】

上述研讨得到了国家天然科学基金(U1510120)、上海市世界合作学术交流项目(14520721900)、外国专家局高校要点引智项目、东华大学研讨生立异基金(EG2017031和EG2016034)以及东华大学纤维改性国家要点实验室和国家环境保护纺织工业污染防治工程技能中心等的支撑。

【通讯作者简介】

乔锦丽，东华大学环境科学与工程学院教授、博士生导师、先进电化学动力环境学科带头人。结业于日本国立山口大学大学院理工学研讨科物质工学获博士学位，后就任日本工业技能综合研讨所(National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, AIST）研讨员。2008年当选上海市“浦江人才”支撑方案。担任世界电化学动力科学院(IAOEES) 副主席兼理事，我国硅酸盐学会固态离子学分会理事会理事，我国膜工业协会电驱动膜专家委员，上海市欧美协会理事。Electrochemical Energy Review杂志副主编，Green Energy & Environment和Frontiers in Energy Researh杂志编委，Applied Energy, Electrochim.  Acta及Int. J. Hygrogen Energy 特邀修改，世界著名学术出版社CRC Press审理人。担任英国工程和天然科学研讨委员会（EPSRC）2016-2020五年方案严重世界合作项目"Liquid Fuel and bioenergy Supply from CO2 Reduction"中方专家组成员。荣获2013/2014年上海市优异学位硕士生论文导师3篇，2014年上海市“育才奖”，2015年东华大学“三八红旗手”，东华大学“五四”青年标兵团体称谓，2016年东华大学“先进电化学动力特征团支部”，2011-2017年度东华大学先进安全办理演示研讨室以及先进个人等称谓。先后主持国家天然科学基金、国家天然科学基金严重基金、留学人员归国基金、教育部博士导师基金、上海市教委立异项目、上海市科委世界合作项、高端别传引智项目等10多项。以榜首作者/通讯作者宣布包含Chem. Soc., Rev. Adv. Energy Mater, Sci. Rep., Green Chem., J. Catalysis, Appl. Catalysis B: Environ., J. Mater. Chem., J. Power Sources, Appl. Energy, Electrochim. Acta., Electrochem. Commun.等SCI论文100多篇，请求/授权日本和我国发明专利30多项。编撰和编著世界电化学动力系列专著包含《Electrochemical Reduction of Carbon Dioxide: Fundamentals and Technologies》,《Electrolytes for Electrochemical Supercapacitors》,《Electrochemical Polymer Electrolyte Membranes》, 《Graphene: Theory, Synthesis, and Energy Applications》, 《Hydrocarbon Polymer Electrolytes for Fuel Cell Applications》等4部/8章节。美国化学会、美国电化学会、世界电化学会、世界电化学动力科学院以及我国化学会、我国化工学会及氢能学会等会员。首要研讨领域：燃料电池、金属-空气电池、CO2电化学复原、超级电容器以及环境难降解有机废水的电化学处理技能。一起热忱欢迎对电化学、电催化和动力资料研讨感兴趣的优异学生报考东华大学环境科学与工程学院乔锦丽教授先进电化学动力与环境资料/器材研讨室攻读硕士和博士学位。