近日，Journal of Colloid and Interface Science (中科院Top 1区, 影响因子：9.7）发表我课题组在光-增强可充电锌-空气电池领域最新成果。论文题目为《Photo-responsive Fe single-atom dispersed FeNC-C3N4 electrocatalysts with Schottky heterojunction for photo-enhanced zinc–air batteries》。
过去十年间，大量研究表明，以原子级分散的FeNx基团作为活性位点的单原子铁催化剂（Fe SACs）是一类极具前景的无铂氧还原反应（ORR）电催化剂。尽管Fe SACs在ORR方面表现出色，但其在可充电锌-空气电池（ZABs）中的实际应用却因固有的氧析出反应（OER）活性差而受阻，这主要是由于O-O耦合动力学缓慢所致。因此，基于Fe SACs的ZABs的工作充电电压通常超过2 V，远高于理论值1.65 V。因此，提高铁单原子催化剂（Fe SACs）的OER活性对于提升基于Fe SACs的锌空气电池（ZABs）的性能和实际应用至关重要。
将先进的光电催化剂集成到空气电极上，能够开发出太阳能利用率更高的光-增强锌-空气电池（PZABs），有效解决了传统锌-空气电池系统充电过电位高的难题。通过将具有优异物理化学特性（包括极低电阻率、卓越导电性和超大比表面积）的介孔碳锚Fe SACs与g-C3N4构建高效的肖特基异质结，可实现FeNC-C3N4光电催化剂的合理设计。通过利用光生载流子来调ORR/OER的反应动力学，基于FeNC-C3N4的PZABs有望在光照条件下实现降低充电电压或提高放电电压的目标。
在此，通过一种简便的“球磨”方法制备了具有肖特基异质结的FeNC-C3N4光电催化材料，该材料将FeNC与石墨碳氮化物（g-C3N4）有效地结合在一起。其中，g-C3N4起到光活性催化材料的作用，而FeNC则作为高效的电活性层，在光照下促进g-C3N4之间的界面电子转移，从而改善光生载流子的空间分离，并延长其寿命。值得注意的是，与基于FeNC的ZABs（370.53 mW/cm2和228 h）相比，基于FeNC-C_N4的ZABs在光照下表现出创纪录的高功率密度540.58 mW/cm2，同时在10 mA/cm2的电流下具有超过1028小时的稳定充放电循环，这是迄今为止报道的PZABs的最高性能。更重要的是，在光照下以10 mA/cm²的电流运行时，g-C3N4改良的FeNC-C3N4基PZABs实现了显著降低的约1.94 V充电电压，而传统的FeNC基ZABs的充电电压约为2.09 V，这意味着电压显著降低了约0.15 V。这项研究提供了一种简单有效的策略，用于开发具有增强光效的锌-空气电池（ZABs），从而能够高效地利用太阳能来降低传统ZABs的充电电压。
Figure 1 (a) Schematic illustration of the synthesis for FeNC-C3N4. (b) SEM images of FeNC-C3N4. TEM images of (c) FeNC-C3N4 and (d) FeNC. (e) AC HAADF-STEM image of FeNC-C3N4. (f) HAADF-STEM image of FeNC-C3N4 and corresponding EDX elemental mappings.
Figure 2 (a) LSV curves for ORR of FeNC-C3N4, NC-C3N4, FeNC, NC and Pt/C in O2-saturated 0.1 M KOH with a rotating rate of 1600 rpm. (b) Corresponding Tafel plots for ORR on FeNC-C3N4, NC-C3N4, FeNC, NC and Pt/C. (c) The H2O2 yield and electron transfer number of FeNC-C3N4, FeNC and Pt/C in O2-saturated 0.1 M KOH. (d) LSV curves for OER of FeNC-C3N4, NC-C3N4, FeNC, NC and RuO2. (e) Corresponding Tafel plots for OER on FeNC-C3N4, NC-C3N4, FeNC, NC and RuO2. (f) Potential gap (Ej=10 – E1/2) of FeNC-C3N4, NC-C3N4, FeNC, NC and RuO2 under illumination.
Figure 3 (a)Schematic diagram of charge and discharge process of photo-enhanced ZABs. (b) Rate discharge curves, (c) polarization and corresponding power density curves, (d) discharge specific capacity, (e) galvanostatic charge-discharge cycling profiles and (f) a radar map of OCV, power density, specific capacity, energy density and number of cycles for FeNC-C3N4-, FeNC- and Pt/C+RuO2-based ZABs. (g) The performance comparison of photoelectrochemical ZABs in recent reports and this work.