成果簡介
尋求高效、穩定、經濟高效的可充電鋅-空氣電池雙功能電催化劑是開發新一代可攜式電子設備的首要任務。為此，應考慮電催化劑上合理有效的結構設計、界面工程和電子複合，以降低反應過電位，加快氧還原反應（ORR）和析氧反應（OER）的動力學。本文，中國地質大學賀貝貝副教授團隊在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊發表名為「Coupling MnS and CoS Nanocrystals on Self-Supported Porous N-doped Carbon Nanofibers to Enhance Oxygen Electrocatalytic Performance for Flexible Zn-Air Batteries」的論文，研究構建了一種基於MnCo的金屬有機骨架衍生的非均相MnS–CoS納米晶體，通過原位生長方法和硫化工藝將其錨定在獨立的多孔N摻雜碳纖維（PNCF）上。
得益於豐富的空位和活性位點、強界面耦合以及良好的導電性，MnS–CoS/PNCFs 複合電極具有明顯的氧電催化活性和穩定性，ORR 的半使用MnS-Co/PNCFs作為無粘結劑空氣陰極的柔性可充電ZAB具有86.7 mW cm-2的高功率密度，563 mA h g-1的大比容量，並能適應不同彎曲度的操作。此外，密度泛函理論計算闡明了非均相MnS–CoS納米晶體在ORR和OER過程中降低了反應勢壘，增強了催化劑的導電性和中間體的吸附能力。本研究為柔性電子設備自支撐空氣陰極的設計開闢了新的思路。
圖文導讀
圖1.MnS–CoS/PNCF合成過程示意圖。
圖2. (a) CoS/PNCFs和MnS-CoS/PNCFs的XRD圖案。(b,c) Mn0.2Co0.8-MOFs/PNCFs和(d,e) MnS-CoS/PNCFs的SEM圖像。(f) 拉曼光譜。(g) PNCFs、CoS/PNCFs和MnS-CoS/PNCFs樣品的氮氣吸附-解吸等溫線和（h）相應的孔徑分布曲線。
圖4. (a) PNCFs、CoS/NC、MnS-CoS/NC、CoS/PNCFS、MnS-CoS/PNCFs和商用20%Pt/C在1600rpm的RRDE上測得的ORR性能 (b) 相應的Tafel圖。(c) 電子轉移數（n）和過氧化物產量（HO2-%）。(d) 所製備的電催化劑的OER的線性掃描伏安法極化圖。(e) 相應的Tafel圖。(f) EIS。
圖5。（a） C1s、（b）N1s和（C）MnS–CoS/PNCFs的Mn2p XPS光譜的XPS測量。CoS/PNCFs和MnS–CoS/PNCF樣品的（d）Co2p和（e）S2p的XPS光譜比較。（f） S-PNCFs、CoS/PNCFs和MnS–CoS/PNCF的EPR光譜。
圖6。（a） 柔性ZAB結構示意圖。（b） 以CoS/PNCF和MnS–CoS/PNCFs為空氣電極的柔性ZAB的OCV，插入的光學圖像是基於MnS–CoS/PNCFs的電池。（c） 由三個串聯組裝的柔性ZAB點亮的LED照片。（d） 充放電極化和功率密度圖。（e） CoS/PNCFs和MnS–CoS/PNCF在不同電流密度（1、2、5、10和20 mA cm–2）下的速率能力。（f） 維持電流密度為5 mA cm–2時的恆電流放電曲線。（g） 5 mA cm–2條件下的長期充放電循環曲線。（h） MnS–CoS/PNCF在5 mA cm–2下每5次循環彎曲30、60、90、120和180°時的長期循環穩定性性能，並且插入的圖像是不同彎曲角度下的OCV。
小結
綜上所述，通過合理的結構設計和界面調控，製造了一種具有良好界面結構的異質性MnS-CoS納米晶體支撐在多孔N-摻雜碳纖維上的納米複合材料。所設計的MnS-CoS/PNCFs展示了非凡的雙功能氧電催化性能，在鹼性電解質中半波電位為0.81V（ORR），過電位為350mV（OER，在10mA cm-2）。MnS-CoS/PNCFs如此出色的雙功能性能可以歸因於空位和反應位點的增加、強界面耦合以及高導電性，這一點在特徵分析結果和DFT計算中都得到了有力的證實。此外，由MnS-CoS/PNCFs獨立電極組裝的柔性可充電ZAB具有86.7 mW cm-2的可觀功率密度，563 mA h g-1的大比容量，以及100次循環的卓越長期耐久性。這項工作為合理設計和合成誘導電子結構調控的過渡金屬基異質催化劑提供了一個有前途的策略。此外，它還提出了基於碳纖維柔性基材的自支撐雙功能催化劑在柔性電子設備中的潛在應用前景。
文獻：
https://doi.org/10.1021/acsami.3c03501