氮掺杂石墨烯/Fe2O3/CoOOH 复合纳米片双功能催化剂的结构与性能调控及其机理研究

Due to the high energy density and low-cost property, Zn-air batteries are attracting much attention. However，the slow kinetics of oxygen reduction reaction （ORR）and oxygen evolutionary reaction （OER）,which are related to the discharge and charge processes of the batteries, hamper widely commercial application of Zn-air batteries. Therefore, the development of bifunctionally active catalysts is a workable approach to improve the energy efficiencies. Two-dimensional nanosheet with highly active sites and fast charge transport offer a platform that allows the realization of heterostructure with a variety of function by synergistic effect. Furthermore, the mechanisms of electronic structure rearrangement and synergetic effects coming from such atomic structure change are still incomprehensible. In this project, the controllable preparation of N-doped graphene/α-Fe2O3/CoOOH hybrid nanosheet will be carried out by hydrothermal systhesis, and the OER and ORR performance of this hybrid nanosheet will be optimized for cathode catalyst when a new type of Zn-air photoelectric cells are self-build. Energy consumption of charging will be reduced by taking advantage of the light energy. In addition, based on synchrotron radiation in situ x-ray absorption fine structure (XAFS) technology and electrochemical analysis method, the fundamental relationship between local atomic structure and photoelectrochemical activities will be detected.

锌-空气电池具有高容量低成本的特点，但其充放电效率受限于空气正极较低的氧还原催化和析氧催化活性，而单一催化剂又很难同时满足这两种催化反应的要求。超薄纳米片具有极高的催化活性和电荷传输能力，将几种单一功能的超薄纳米片进行组装，通过协同效应实现纳米催化剂的多功能化，是解决正极端双功能催化问题的有效方法。本项目拟利用水热合成等方法，将氮掺杂石墨烯和氧化物光电半导体超薄纳米片进行杂合，构建N-rGO /α-Fe2O3/CoOOH复合纳米片异质结，（1）利用协同效应，实现高效的氧还原和析氧双功能光-电催化，并通过超薄异质结抑制光生电子-空穴对复合，提升光电子利用率；（2）组装成新型光辅助锌-空电池，直接利用太阳能降低充电能耗；（3）通过对局域结构敏感的同步辐射X射线吸收谱技术，从原子尺度探究超薄二维异质结的构效关系，为推动新型多功能二维材料的发展做出有益探索。

锌-空气电池具有低成本、高容量、绿色无污染以及可携带的特点，可以广泛应用于各类用电场合。本项目通过设计、调控金属氧化物与石墨烯复合电极材料的表面结构，改进了电极材料的活性、适应性和稳定性；增加了催化产物附加值；利用同步辐射等先进技术获得了催化剂的构效关系。一系列研究证明了对材料的表面结构调控策略对提升电池性能、拓展功能应用的可行性。.1、合成一种含有FeO6表面位点的氮掺杂石墨烯保护的羟基氧化铁纳米颗粒（FeOOH/PNGNs），其在广泛pH下都具有较高氧还原活性和稳定性：在碱性环境下，其半波电势比标杆铂/碳催化剂高了41mV，而在中性和酸性环境下也表现出了接近铂/碳催化剂的活性以及远优于铂/碳催化剂的20000秒的电流密度稳定性。该工作提升了电池在不同环境的适应性、活性和稳定性。.2、探索一种低温熔融盐的方法合成比表面高达1957m^2/g的氮掺杂石墨碳材料，在酸性环境下具有很高的氧还原活性，组装成开路电压达到2.11V的非对称电解液锌-空气电池，具有高达270mW/cm2功率密度以及1279Wh/kg的能量密度，拓展了锌空气电池在非对称酸碱电解液中的应用。.3、我们通过位阻效应和层状结构诱导的“一锅法”制备了超薄氢氧化镍纳米片镶嵌的二维碳杂化结构电催化材料，该材料能够高选择性地实现2电子转移氧还原反应转换过氧化氢，表现出高达95%的法拉第效率以及22.2A/g的单位质量活性，用于锌-空电池阴极构建自驱动电池设备，其在自发产电的同时能以高达5239.67mmol/h/g_cat.的产率合成过氧化氢产物。该工作增加了电池产物附加值并拓展了电化学合成领域的应用。.4、在局域结构与催化关系的系统研究中，我们通过Ru-K边的同步辐射吸收谱精细结构发现了在Ru-S-Sb/antimonene析氢催化剂中的Ru-S-Sb界面键对部分填充表面S空位，对提高Ru原子配位数起到关键作用；通过对二氧化碳还原催化剂Bi-300纳米片的近边结构谱分析，确认了催化剂的金属结构和因高比表面带来的表面氧化特性。这些工作揭示了能源转换催化剂的性能-结构关系，为设计高效的催化转化材料提供了重要基础。