DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-87952-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39875539
تاريخ النشر: 2025-01-28
المؤلف: Hong Jin وآخرون
الموضوع الرئيسي: المحفزات الكهربائية لتحويل الطاقة
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تطوير المحفزات الكهربائية ثنائية الوظيفة لتفاعل اختزال الأكسجين (ORR) وتفاعل تطور الأكسجين (OER) في بطاريات الزنك-هواء (ZABs). تم تصنيع محفز CoNC@NCXS عن طريق تثبيت الكوبالت والنيتروجين المشترك على كرات الكربون الجافة المدعمة بالنيتروجين (NCXS) في الموقع. أظهر المحفز أداءً كهربائيًا ملحوظًا في الإلكتروليتات القلوية، حيث حقق جهد بدء ORR قدره 0.99 فولت، وجهد نصف الموجة ($E_{1/2}$) قدره 0.78 فولت عند 10 مللي أمبير سم$^{-2}$، وجهد زائد قدره 360 مللي فولت لتفاعل OER عند نفس كثافة التيار. أظهرت بطارية ZAB التي تستخدم CoNC@NCXS سعة تفريغ محددة قدرها 710 مللي أمبير ساعة غرام$^{-1}$، متفوقة على المحفز التقليدي Pt/C & RuO$_2$ (667 مللي أمبير ساعة غرام$^{-1}$)، وحافظت على انخفاض كفاءة الشحن/التفريغ بنسبة 12.8% فقط على مدى 150 ساعة، مما يدل على استقرار ممتاز.
تخلص الدراسة إلى أن محفز CoNC@NCXS-800، الذي تم كربنته عند 800 درجة مئوية، لا يتفوق فقط على RuO$_2$ التجاري في أداء OER ولكنه يظهر أيضًا تدهورًا طفيفًا في النشاط (21 مللي فولت) مقارنةً بـ Pt/C خلال اختبارات الاستقرار. تكشف حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) أن CoNC@NCXS لديه حواجز طاقة أقل وإمكانات أعلى في خطوات التفاعل الرئيسية، مما يعزز كفاءته التحفيزية. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن CoNC@NCXS يمثل بديلاً واعدًا من المعادن غير الثمينة لتطبيقات تحويل الطاقة، مما يمهد الطريق لتصميم محفزات ثنائية الوظيفة متقدمة تضم الكوبالت والنيتروجين وعناصر أخرى.
طرق
في القسم التجريبي من الدراسة، تم استخدام تقنيات متنوعة لتوصيف المواد لتحليل عينات المحفز. تم فحص مورفولوجيا السطح باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) مع أجهزة Nova Nano SEM450 و SU1510. بالنسبة لمورفولوجيا الطور الكتلي، تم استخدام المجهر الإلكتروني الناقل (TEM)، وبالتحديد نموذج Talos F200X.
بالإضافة إلى ذلك، تم تحديد الهيكل البلوري للعينات من خلال حيود الأشعة السينية (XRD) باستخدام إشعاع Cu Kα (λ = 0.154 نانومتر) عبر نطاق 10-90 درجة. لتقييم تركيبة حالة السطح، تم إجراء مطيافية الإلكترون بالأشعة السينية (XPS) باستخدام جهاز Axis Ultra DLD. قدمت هذه الطرق مجتمعة رؤى شاملة حول الخصائص الهيكلية والتركيبية للمحفزات قيد الدراسة.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تصنيع محفز CoNC@NCXS من خلال عملية متعددة الخطوات تتضمن دمج ZIF-67 في سلف الجل، تليها معالجة حرارية لإنتاج مادة مركبة ذات خصائص كهربائية محسنة. تضمنت عملية التصنيع استخدام نترات الكوبالت و2-ميثيل إيميدازول، مما أدى إلى تشكيل ZIF-67، الذي تم دمجه بعد ذلك في مصفوفة كرات الكربون الجافة المدعمة بالنيتروجين (NCXS). أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) والمجهر الإلكتروني الناقل (TEM)، على التكوين الناجح لـ CoNC@NCXS بمورفولوجيا فريدة وتوزيع متجانس لجزيئات الكوبالت النانوية، والتي وُجدت موزعة بشكل متساوٍ داخل المصفوفة الكربونية.
أظهرت التقييمات الكهروكيميائية أن محفز CoNC@NCXS-800 أظهر أداءً تنافسيًا لكل من تفاعل اختزال الأكسجين (ORR) وتفاعل تطور الأكسجين (OER) في الوسط القلوي. حقق المحفز جهد بدء قدره 0.99 فولت وجهد نصف موجة قدره 0.78 فولت لـ ORR، وهو ما يعادل معايير Pt/C التجارية. بالإضافة إلى ذلك، أظهر جهد زائد منخفض قدره 360 مللي فولت لـ OER، مما يدل على نشاط تحفيزي ثنائي الوظيفة متفوق. كشفت اختبارات الاستقرار عن تدهور طفيف في الأداء بعد دورات مكثفة، مما يبرز متانة المحفز. كما أوضحت حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) آلية ORR، محددة موقع Co-N4 النشط كعنصر حاسم في تعزيز الكفاءة التحفيزية. بشكل عام، يظهر محفز CoNC@NCXS-800 وعدًا كبيرًا لتطبيقات تخزين الطاقة وتحويلها، لا سيما في بطاريات الزنك-هواء، حيث تفوق على المحفزات التقليدية من حيث السعة المحددة والاستقرار التشغيلي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-87952-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39875539
Publication Date: 2025-01-28
Author(s): Hong Jin et al.
Primary Topic: Electrocatalysts for Energy Conversion
Overview
This research investigates the development of bifunctional electrocatalysts for oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER) in zinc-air batteries (ZABs). The CoNC@NCXS catalyst was synthesized by in-situ anchoring cobalt and nitrogen co-doped CoNC onto nitrogen-doped carbon xerogel spheres (NCXS). The catalyst demonstrated remarkable electrocatalytic performance in alkaline electrolytes, achieving an ORR onset potential of 0.99 V, a half-wave potential ($E_{1/2}$) of 0.78 V at 10 mA cm$^{-2}$, and an OER overpotential of 360 mV at the same current density. The ZAB utilizing CoNC@NCXS exhibited a discharge specific capacity of 710 mAh g$^{-1}$, outperforming the conventional Pt/C & RuO$_2$ catalyst (667 mAh g$^{-1}$), and maintained a charge/discharge efficiency decline of only 12.8% over 150 hours, indicating excellent stability.
The study concludes that the CoNC@NCXS-800 catalyst, carbonized at 800 °C, not only surpasses commercial RuO$_2$ in OER performance but also shows minimal activity decay (21 mV) compared to Pt/C during stability tests. Density functional theory (DFT) calculations reveal that CoNC@NCXS has lower energy barriers and higher potentials in key reaction steps, enhancing its catalytic efficiency. Overall, the findings suggest that CoNC@NCXS represents a promising non-precious metal alternative for energy conversion applications, paving the way for the design of advanced bifunctional catalysts incorporating cobalt, nitrogen, and other elements.
Methods
In the experimental section of the study, various techniques were employed for materials characterization to analyze the catalyst samples. The surface morphology was examined using scanning electron microscopy (SEM) with the Nova Nano SEM450 and SU1510 instruments. For bulk phase morphology, transmission electron microscopy (TEM) was utilized, specifically the Talos F200X model.
Additionally, the crystalline structure of the samples was determined through X-ray diffraction (XRD) using Cu Kα radiation (λ = 0.154 nm) across a 10-90 degree range. To assess the surface state composition, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was conducted with an Axis Ultra DLD instrument. These methods collectively provided comprehensive insights into the structural and compositional characteristics of the catalysts under investigation.
Discussion
In this study, the CoNC@NCXS electrocatalyst was synthesized through a multi-step process involving the incorporation of ZIF-67 into a gel precursor, followed by heat treatment to yield a composite material with enhanced electrocatalytic properties. The synthesis involved the use of cobalt nitrate and 2-methylimidazole, leading to the formation of ZIF-67, which was then integrated into a nitrogen-doped carbon xerogel sphere (NCXS) matrix. Characterization techniques, including scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM), confirmed the successful formation of CoNC@NCXS with a unique morphology and distribution of cobalt nanoparticles, which were found to be uniformly dispersed within the carbon matrix.
Electrochemical evaluations demonstrated that the CoNC@NCXS-800 catalyst exhibited competitive performance for both the oxygen reduction reaction (ORR) and the oxygen evolution reaction (OER) in alkaline media. The catalyst achieved an onset potential of 0.99 V and a half-wave potential of 0.78 V for ORR, comparable to commercial Pt/C standards. Additionally, it displayed a low overpotential of 360 mV for OER, indicating superior bifunctional catalytic activity. The stability tests revealed minimal performance degradation after extensive cycling, underscoring the catalyst’s durability. Density functional theory (DFT) calculations further elucidated the mechanism of ORR, identifying the Co-N4 active site as crucial for enhancing catalytic efficiency. Overall, the CoNC@NCXS-800 catalyst demonstrates significant promise for applications in energy storage and conversion, particularly in zinc-air batteries, where it outperformed traditional catalysts in terms of specific capacity and operational stability.