För närvarande lider syrereduktionsreaktionen (ORR) av trög kinetik och hög överpotential, vilket vanligtvis kräver kostsamma platina (Pt)-baserade material. Övergångsmetaller med enatomer (M–N–C), såsom Fe–N₄ och Co–N₄ med hög ORR-aktivitet har undersökts och anses vara de mest lovande katalysatorerna för att ersätta ädelmetaller. Emellertid hindrade den låga densiteten av det aktiva stället och det tjocka katalysatorskiktet i elektroden kraftigt massöverföringen av elektroden. Olika metoder har använts för att lösa detta problem - till exempel genom att använda hierarkisk porös struktur och ultratunna kolsfärer som bärare.

Ett team ledd av Dr Shuangyin Wang (State Key Laboratory of Chemo/Bio-Sensing and Chemometrics, College of Chemistry and Chemical Engineering, National Supercomputer Centers i Changsha, Hunan University) fann att de katalysatorer som hittills rapporterats existerar i form av nanostrukturerade pulver och kräver ytterligare bindemedel för att bilda katalysatorskiktet, vilket kraftigt minskade konduktiviteten och massöverföringsförmågan. Det är fortfarande en stor utmaning att sätta ihop det porösa kolet till en 3D-integrerad struktur, och det finns ingen enkel och effektiv metod för att förbereda kontrollerbar porstruktur i elektroder med stor yta.

"Vi är inspirerade av den neuronala strukturen i organismens hjärna och utvecklar en effektiv strategi för att tillverka självbärande flexibel porös struktur med den höga tätheten av B, F-samdopade Fe-enatomsställen (Fe–SA–FPCS). Som kan ses från bilden, varje porös kolsfär är sammankopplad av flera kolfibrer. Denna struktur är mycket fördelaktig för elektrontransporten och för att bygga det trefasiga gränssnittet som krävs för reaktionen, säger Wang.

Fe–SA–FPCS visar en hög ORR-halvvågspotential (0,89 V vs. RHE), mycket högre än den för 20 % Pt/C (0,83 V vs. RHE). När den används direkt som en elektrod i flytande Zn-luft-batterier, uppvisar Fe–SA–FPCS en hög urladdningseffekttäthet på 168,4 mW cm ^{− 2} och överlägsen hållbarhet. Det flexibla solid-state batteriet som monterats av Fe–SA–FPCS visar en stabil laddnings-urladdningskapacitet vid 1 mA cm ^{− 2} . Den utmärkta prestandan härrör från den hierarkiska porstrukturen, den höga tätheten av aktiva platser och ledande nätverk. Teamet visade att detta syntetiska protokoll kan vara mycket användbart för produktion av lovande elektrodmaterial i framtiden.

Forskningen publicerades i Science China Chemistry . + Utforska vidare

Forskare utvecklar integrerade elektroder för flexibla superkondensatorer med hög energidensitet