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燃料电池科技前沿:氧缺陷三重钙钛矿作为高活性和耐用的双功能电催化剂用于氧电极反应

北极星储能网  来源:材料牛    2018/6/28 14:33:12  我要投稿  

北极星储能网讯:【引言】对于可再生能源转换和存储设备,如燃料电池和金属-空气电池,具有至关重要的意义。基于钙钛矿的氧电催化剂已经成为有希望的非贵金属双功能电催化剂,但其催化活性和稳定性仍有待提高。目前基于贵金属的电催化剂主要用作氧电极催化剂,因为它们具有优异的活性,然而,贵金属催化剂过于昂贵且稀缺。因此,高活性的,耐用且成本有效的双功能氧电极的催化剂的设计至关重要。

【成果简介】

近日,在韩国世宗大学Jun-YoungPark教授和蔚山国立科技研究所SangHoonJoo教授的带领下,与成均馆大学,浦项加速器实验室和韩国科学技术研究院全北分校合作,报道了一种基于三重钙钛矿Nd1.5Ba1.5CoFeMnO9-δ的高性能氧电催化剂(NBCFM)。三钙钛矿被定义为立方钙钛矿结构,其中一个立方轴(c轴)增加了三倍,NBCFM结构可以通过堆积三个单一钙钛矿块与中心Nd3+和顶/底部Ba2+在A位点。该催化剂显示出氧电极反应对单钙钛矿和双钙钛矿具有优异的活性和耐久性。当与氮掺杂还原氧化石墨烯(N-rGO)杂化时,所得NBCFM/N-rGO催化剂显示出进一步提高的双功能氧电极活性(0.698V),其超过Pt/C(0.801V)和Ir/C(0.769V)催化剂,并且其在钙钛矿电催化剂中是迄今报道的最佳活性。综合表征表明,NBCFM的优良催化性能可能与其富氧缺陷结构,较低的电荷转移电阻以及O2p和Co3d轨道之间杂化强度较小有关。相关成果以题为“Oxygen-deficienttripleperovskitesashighlyactiveanddurablebifunctionalelectrocatalystsforoxygenelectrodereactions”发表在ScienceAdvances上。

【图文导读】

图1.钙钛矿催化剂的物理性能表征

(A)BSCF,NBSCF和NBCFM的Rietveld精修的XRD图;

(B)BSCF,NBSCF和NBCFM的晶格常数(左,a和b轴;右,c轴);

(C)BSCF,NBSCF和NBCFM的晶体结构;

(D)具有NBED图案的NBCFM催化剂的HRTEM图像。左侧插图显示了NBED模式。右插图显示了观察单位晶格的黄色虚线矩形截面的原子分辨率图像,a和c轴的晶格参数以及沿a和c方向的线轮廓;

(E)NBCFM的EDX元素分布图。比例尺,100nm。

图2.钙钛矿催化剂的电催化活性和耐久性/稳定性

(A)BSCF,NBSCF和NBCFM在循环之前(实线)和之后(虚线)的OER极化曲线,及相应的塔菲尔图(插图);

(B)BSCF,NBSCF和NBCFM在循环之前(实线)和之后(虚线)的ORR极化曲线;

(C)BSCF,NBSCF和NBCFM循环后在10mAcm-2时OER的电位增加;

(D)BSCF,NBSCF和NBCFM循环后在-3mAcm-2时ORR的电位降低;

(E)通过计时电位法在5mAcm-2下测量10小时的BSCF,NBSCF和NBCFM的OER稳定性;

(F)通过计时电位法在-3mAcm-2下测量10小时的BSCF,NBSCF和NBCFM的ORR稳定性。

图3.钙钛矿,NBCFM/N-rGO和贵金属催化剂的双功能氧电极活性和耐久性

(A)钙钛矿基催化剂和贵金属催化剂的OER/ORR极化曲线;

(B)钙钛矿基催化剂和贵金属催化剂的氧电极活性(EOER-EORR);

(C)NBCFM/N-rGO的氧电极活性与先前报道的双功能催化剂的比较。x轴上的数字表示参考数字。

(D)在耐久性测试后,钙钛矿基催化剂和贵金属催化剂的OER电势增加和ORR电势降低。

图4.对氧电极反应活动趋势的机理分析

(A)使用碘量滴定法计算钙钛矿氧化物材料中B位氧化态的氧缺乏量(δ);

(B)BSCF,NBSCF和NBCFM的O1sXPS谱;

(C)BSCF,NBSCF和NBCFM的电荷传输电阻值;

(D)BSCF,NBSCF和NBCFM中从O2p到Co3d和Fe3d电子状态的电荷转移激发的光谱权重(WS)。

【小结】

三重钙钛矿NBCFM对于氧电极反应表现出优异的电催化活性和耐久性/稳定性。与BSCF和NBSCF相比,重复堆叠的镧系元素引起NBCFM三钙钛矿中晶格的结构变形,产生额外的氧空位。NBCFM中的额外氧空位对提高NBCFM对OER和ORR的催化活性和耐久性/稳定性起着重要作用,优于BSCF和NBSCF。值得注意的是,当NBCFM与N-rGO杂交时,所得到的NBCFM/N-rGO在钙钛矿基催化剂中表现出最好的氧电极活性。NBCFM提高氧电极活性可归因于其富氧缺陷结构,低电荷电阻,以及O2p和Co3d轨道之间的小共价性。新开发的三重钙钛矿NBCFM催化剂可在各种能源设备中找到广泛的应用,如再生燃料电池和中温可逆固体氧化物燃料电池。

原标题:Science Advances:氧缺陷三重钙钛矿作为高活性和耐用的双功能电催化剂用于氧电极反应

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