鋅空電池作為一種清潔能源，由于其高能量密度和高安全性，在可持續(xù)能源存儲(chǔ)領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的發(fā)展前景。然而，鋅空電池面臨著穩(wěn)定性差和功率密低等問題，這些問題與空氣陰極催化反應(yīng)密切相關(guān)。傳統(tǒng)貴金屬催化劑具有優(yōu)異的電催化活性，但是，高成本和差穩(wěn)定性限制了其規(guī)模化應(yīng)用，因此，進(jìn)一步開發(fā)優(yōu)異催化活性和穩(wěn)定性的非貴金屬催化劑成為重要挑戰(zhàn)。過渡金屬-多孔碳納米纖維材料孔隙和電子結(jié)構(gòu)豐富，成本低、結(jié)構(gòu)可調(diào)，催化活性位點(diǎn)多，在取代貴金屬催化劑方面顯示出巨大的應(yīng)用前景。然而，多孔碳納米纖維合成復(fù)雜，過渡金屬易團(tuán)聚，這使得其催化活性的進(jìn)一步提升存在困難。

針對(duì)上述問題，東華大學(xué)紡織科技創(chuàng)新中心俞建勇院士、丁彬研究員和閆建華研究員提出了一種原位靜電紡絲技術(shù)，直接將金屬鈷納米點(diǎn)(CoNPs )原位摻雜到大孔碳納米纖維中，制備出了高孔隙率（90%）的磁性催化劑，并創(chuàng)新性地提出了一種“磁性增強(qiáng)”策略，利用磁性催化劑的特性，通過一個(gè)中等的(350mT)外加磁場(chǎng)進(jìn)行催化活性增強(qiáng)。相關(guān)成果“Direct Magnetic Reinforcement of Electrocatalytic ORR/OER with Electromagnetic Induction of Magnetic Catalysts”為題，于2020年12月在線發(fā)表于國(guó)際著名期刊Advanced Materials，該論文共同通訊作者為閆建華研究員和丁彬研究員。

圖1是該磁性催化劑的制備及其催化增強(qiáng)機(jī)理展示圖。外加磁場(chǎng)作用下，磁性Co NPs首先被磁化成納米磁體，在大孔周圍形成各向同性的磁疇，促進(jìn)電解質(zhì)和O2的擴(kuò)散，增加了對(duì)氧中間體的吸附。此外，碳納米纖維的多孔結(jié)構(gòu)在內(nèi)部空間形成磁漩渦，促進(jìn)部分Co電子從低自旋向高自旋的轉(zhuǎn)變，在其3d軌道上產(chǎn)生了更多的未成對(duì)電子。同時(shí)，Co NPs自旋磁矩的增加，能夠降低電子轉(zhuǎn)移活化能勢(shì)壘，從而在析氧還原反應(yīng)中提供了一個(gè)更有效的四電子轉(zhuǎn)移過程，提高了氧催化活性。

圖1. 磁性碳納米纖維催化劑（MCN）的合成方法及氧催化活性的磁增強(qiáng)機(jī)理。(a)溶膠-凝膠電紡絲和熱解法制備柔性MCN示意圖；(b)在ORR和OER中實(shí)現(xiàn)磁增強(qiáng)的說明；(c) Co從低自旋到高自旋的電子躍遷；(d)產(chǎn)氧和還原反應(yīng)中的四電子轉(zhuǎn)移過程。 圖2展示了外加磁場(chǎng)對(duì)鋅空電池中ORR/OER的增強(qiáng)結(jié)果。在外加磁場(chǎng)作用下， MCN的ORR的半波電位增加了20 mV，OER反應(yīng)在10 mA/cm2的過電位也降低了15 mV。更重要的是， MCN催化劑可直接作為雙功能催化劑，應(yīng)用于鋅-空氣電池，與商業(yè)上的Pt/C+IrO2催化劑相比，其容量提高了2.5倍，充放電壽命超過155小時(shí)。

圖2. MCN在磁場(chǎng)作用下的催化結(jié)果和電池展示。(a-b) 在施加和無施加外部磁場(chǎng)時(shí)，MCN電極ORR和OER測(cè)試的LSV曲線；(c) 基于MCN和Pt/C +IrO2的鋅空電池放電極化曲線和功率密度；(d)基于MCN和Pt/C + IrO2的鋅空電池在2 mA/cm2時(shí)的長(zhǎng)期循環(huán)性能 (e)電池展示

總結(jié)

作者成功地開發(fā)了一種簡(jiǎn)單制備磁性過渡金屬-多孔碳納米纖維催化材料的方法，并創(chuàng)新性地提出了一種“磁性增強(qiáng)”策略，實(shí)現(xiàn)了可充放鋅空電池直接磁性增強(qiáng)，為外加磁場(chǎng)的磁性極化增強(qiáng)在能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的實(shí)施打開了更為有趣的可能，也對(duì)其進(jìn)一步發(fā)展具有重要指導(dǎo)意義。

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