提出了构建硫/氮双掺石墨烯负荷的有效原位耦合策略Co9S复合材料8纳米颗粒。

    2引入四磺酸基钴卟啉形成Co9S8纳米粒子的耦合剂和硫/氮双掺石墨烯的掺杂源。

    3将获得的复合材料用作ORR和OER可充电锌空气电池和全固态锌空气电池采用催化剂。

    内容简介

    充电锌空气电池具有环保、成本低、理论能量密度高的优点，在便携式能源存储设备和运输应用方面具有巨大的潜力。然而，电池反应过程中的氧电极电化学反应动力学缓慢，使其难以实际应用。因此，有必要研究和开发氧还原反应（ORR）与氧沉淀反应（OER）双功能活性催化剂。

    近年来，过渡性金属硫化物（如硫化钴）因其价格低、催化活性高、稳定性好硫化钴）引起了国内外学者的广泛关注。然而，硫化钴的导电性一般较差。石墨烯作为一种有效的导电基质，具有导电性优越、比表面积大、化学稳定性和热稳定性优异的优点。此外，石墨烯的混合可以进一步提高其导电性，并提供额外的电催化活性点燃料电池催化剂。

    因此，硫化物与掺杂石墨烯的结合是研究的热点之一。然而，简单的复合材料很容易导致大量的纳米颗粒聚集，使活性点暴露不足，从而降低了复合材料的催化活性。此外，纳米颗粒与石墨烯之间的弱锚定作用使纳米颗粒容易浸出，降低了复合材料的稳定性。

    为了解决上述问题，长春理工大学王恒国教授的研究小组首次与教授对话N4-功能导向设计用于制备硫/氮双掺石墨烯负荷Co9S8纳米颗粒的复合材料。分子间氢键和π-π作用于吸附氧化石墨烯表面的四磺酸钴卟啉。在煅烧过程中，四磺酸钴卟啉不仅作为耦合剂形成Co9S8纳米粒子锚定在石墨烯表面，形成氮/硫双掺杂石墨烯作为异质元素的掺杂源。燃料电池催化剂

    这种复合材料效率很高ORR和OER作为锌空电池和全固态锌空电池的催化剂，催化活性也表现出良好的充放电特性和循环性能。

    1硫/氮双石墨烯负荷Co9S8纳米颗粒复合材料的制备

    1硫/氮双石墨烯负荷Co9S制备纳米粒子复合材料的路线。

    硫/氮双石墨烯负荷Co9S8纳米粒子复合材料的结构和微观外观

    2(a,b)SEM；(c)TEM；(d)HRTEM；(e)TEM元素分布。

    SEM硫/氮双石墨烯负荷Co9S8纳米颗粒复合材料保持石墨烯的层状结构，不产生聚集现象。TEM和HRTEM证实了Co9S8纳米粒子的存在。元素分布显示C,N,Co和S均匀分布在石墨烯表面，验证了这种原位耦合策略可以有效避免活性位点的聚集。

    硫/氮双石墨烯负荷Co9S8纳米粒子复合材料的电催化活性

    硫/氮双石墨烯负荷Co9S8纳米颗粒复合材料ORR性能测试：(a)CV曲线;(b)不同样品的极化曲线；(c)不同转速下的极化曲线；(d)K-L插入电子转移数的曲线；(e)不同样品的塔菲尔斜率；(f)稳定性测试。制氢电解槽

    3说明硫/氮双掺石墨烯的荷载Co9S8纳米颗粒复合材料ORR催化剂显示和商业催化剂Pt/C起始电位相当（0）.92V），以及较低的塔菲尔倾斜率(47).7mV/dec）。

    硫/氮双掺石墨烯Co9S8纳米颗粒复合材料OER性能测试：(a)极化曲线;(b)不同样品的塔菲尔斜率；(c)稳定性试验；(d)j=10mA/cm过电位与半波电位的差值。

    4显示硫/氮双石墨烯负荷Co9S8纳米颗粒复合材料OER催化剂时，在1.61V电位可达到10mA/cm2的电流密度低于商业RuO塔菲尔斜率2(69).2mV/dec1).5h）。

    5可充电锌空电池性能：（a）可充电锌空电池的说明；（b）开路电位；（c）充放电曲线；（d）放电曲线及相应的功率密度曲线；（e）10mA/cm充电-放电循环曲线在电流密度下；（f）12小时前后，锌空电池点亮车灯的照片。

    5显示硫/氮双石墨烯负荷Co9S当8纳米颗粒复合材料用作可充电的锌空电池阴极材料时，显示1.42V开路电位，72.14mW/cm功率密度2，以及良好的循环稳定性(138h）。制氢电解槽

    6全固态可充电锌空电池性能：(a)全固态可充电锌空电池示意；(b)开路电位；(c)充放电曲线及相应的功率密度曲线；(d)2mA/cm充电-放电循环试验在电流密度下。

    6显示，为了进一步扩大复合材料的实际应用范围，组装了全固态可充电锌空电池，电池开路电位为1.26V，功率密度为36.2mW/cm2、循环稳定性好。制氢电解槽