东华大学《AM》：简单有效！加点磁场就直接增强催化活性

来源：材料科学与工程

编辑推荐：本文报道了一种磁催化纳米笼型碳基双功能催化剂，它可以通过简单地施加中等强度的磁场(350mT)直接提高氧催化活性。该研究提供了一种非常有前途的利用电磁感应来提高氧催化活性的策略。

随着可穿戴电子设备的快速发展，迫切需要先进的电源。与最先进的锂离子电池相比，可充电锌空气电池(ZAB)具有成本低、能量密度高、安全性好和环境友好等优点。不幸的是，以低成本为氧还原和析氧反应(ORR/OER)，设计稳定和高效的电催化剂仍然是具有挑战性的。

东华大学丁彬和闫建华等设计了一种新型的磁性催化纳米笼双功能催化剂(MCN)，这是一种直接磁性增强策略。相关论文以题为“Direct Magnetic Reinforcement of Electrocatalytic ORR/OER with Electromagnetic Induction of Magnetic Catalysts”发表在Advanced Materials上。

研究表明，当简单地向电极施加中等磁场（350mT）时，观察到ORR和OER的氧催化活性显著增强，即ORR的半波电位增加20mV，OER在10 mA cm−2处的过电位降低15mV。该策略使新催化剂的性能比商用Pt/C+IrO2催化剂好得多，锌-空气电池的容量是商用Pt/C+IrO2催化剂的2.5倍，电压间隙很小，为0.82 V，并且具有更好的可充电性，在155小时内具有更长的耐久性。

研究人员成功合成了具有优异的ORR和OER的新催化剂为探索磁性多孔氧催化提供了新的研究方向。该研究结果朝着可充电ZAB方向，指出了一个有效和简便的策略来实现磁增强的OER和ORR。这种磁性增强也为其在碱性电解槽技术中的应用提供了可能性。

图1a显示了使用水基溶胶-凝胶静电纺丝，然后热解合成MCN的示意图。该方法为通常用于合成PCNF/金属纳米粒子复合材料的有毒溶剂提供了环境友好的替代物。当施加磁场时，MCN的笼状结构提供了两种不同的功能(图1b)。一方面，钴纳米点被磁化成纳米磁体，并在大孔周围产生各向同性磁畴，其中洛伦兹运动促进了电解质和O2气泡的扩散，从而增加了O2中间体的吸附。另一方面，根据以前的报告，外部磁场可以促进位于最外层轨道的电子的自旋极化，还可以优化电子的排列，从而在催化反应中发挥更好的作用   

图1 MCN合成方案和氧催化活性的磁增强机理。a)使用溶胶-凝胶静电纺丝和热解制备柔性MCN的示意图。b) 在ORR和OER中实现磁增强的图示。c)钴从低自旋到高自旋的电子跃迁。d)析氧和还原反应过程中的四电子转移过程。

典型的电纺MCN薄膜的厚度约为16 um(图2a)，由于磁性钴纳米点，薄膜很容易被磁铁吸引。在纤维MCN中有许多明显的大孔和纳米点(图2b)。事实上，纤维状MCN的平均直径(≈367nm)大于初始纳米纤维，证实了高度多孔的特性。通过透射电子显微镜进一步检查纳米点(透射电子显微镜，图2c)。

图2 材料表征。a)MCN薄膜的横截面图像，插图为滚动状态下的柔性MCN薄膜。b)纤维状MCN的表面图像，插图为单个钴纳米点，大小约为10纳米。c)MCN的TEM图像，其中钴纳米点结晶良好。d) PCNFs和MCN的XRD图谱。e) MCN中的Co 2p光谱。f)MCN和PCNF催化剂薄膜的VSM曲线。g,h)PCNFs和MCN的N2吸附-解吸等温线。i) PCNFs和MCN的拉曼光谱。

图3 双功能电催化活性测量和磁场效应。a)MCN电极和Pt/C电极在O2和N2饱和0.1 M氢氧化钾中的CV曲线，扫描速率为50  mV  s−1。b) ORR和c) OER的MCN、PCNF和铂碳电极的LSV曲线。d）ORR和e）OER加磁场与不加磁场MCN电极的LSV曲线。f）MCN电极在磁场下的ORR和OER耐久性。g） 磁场作用下不同转速下的LSV曲线。插图是各种电位下的K−L图。h）MNC、PCNF和Pt/C电极和i）MNC、PCNF和IrO2电极的Tafel图。

图4 。磁场作用下可充电ZAB的电化学性能。a)磁场下工作的锌空气电池示意图。b)基于MCN和铂/碳+铱的ZAB的放电极化曲线和功率密度。C)MCN和基于Pt/C + IrO2的ZAB在10mA·cm-2下的比容量。d)MCN和铂/碳+铱基ZAB在2mA·cm-2下的长期循环性能。位于MCN的ZAB在e)10 mA·cm-2和f)2 mA·cm-2下的一些特定电压分布。g)MCN和基于Pt/C + IrO2的ZAB的极化电压剖面图；h)演示使用三节电池组点亮6个灯泡。

总的来说，研究人员通过设计一个具有成本效益的MCN双功能催化剂，提出了一个直接的磁性增强策略。研究结果针对可充电ZAB，提出了一个有效和简便的策略来实现磁增强的OER和ORR。这种磁性增强也为其在碱性电解槽技术中的应用提供了可能性。