北京化工大学《AFM》：用便携设备的新型单原子集成电极！
编辑推荐：为了克服电极能量密度降低的问题，本文介绍了一种含单原子的集成电极，该电极表现出出色的灵活性和长期充放电稳定性。预计所提出的策略可以扩展到用于高性能能量存储和转换装置的其他集成电极的构造。
便携式和可穿戴电子设备的快速发展激发了对新型灵活的能量存储和转换设备的需求。这些能源设备(如燃料电池和金属-空气电池)需要高性能电极和高效、经济的电催化剂。因此，合适的电催化剂必须具有快速的电化学反应、优异的机械柔性、高导电性和良好的稳定性。高效低成本电极在燃料电池和金属空气电池等先进能源设备的开发中发挥着关键作用。然而，电极性能通常受到活性位点利用率低的限制，这导致能量密度显著下降。
北京化工大学邵明飞教授和卫敏教授（共同通讯），提出了一种基于层状双氢氧化物
(LDHs)主客体转化的，含SAC的集成电极(IE-SACs)的限制合成策略。相关论文以题为“Confinement Synthesis Based on Layered Double Hydroxides: A New Strategy to Construct Single-Atom-Containing Integrated Electrodes”发表在Advanced Functional Materials上。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202008064
通过研究，LDHs中的MA分子提供C—N活性位点，提高碳催化剂的固有ORR和OER活性，而PA分子在IE-SACs上形成多孔结构，促进传质。所制备的离子交换膜囊表现出优异的双功能ORR/OER电催化活性和稳定性。IE-SAC直接组装成锌空气电池(ZAB)，比容量为690.3 mAh g−1，能量密度为963.3 Wh kg−1。此外，制成的全固态ZAB表现出优异的放电/充电性能(1mA cm−2为1.79/1.23 V)、电化学稳定性和灵活性，表明其在便携式能源设备中具有巨大的应用潜力。
采用文中提出的限制合成策略，在柔性碳布（CC）上，通过水热法生长插层有机分子（MA和/或PA）的CoAl-LDH合成了IE-SACs，然后是热解和酸蚀（方案1）。图1a显示了由CoAl-LDH与PA和MA共插层的IE-SAC的图片，在各种弯曲条件下表现出良好的柔韧性。IE-SAC（PA+MA）的扫描电子显微镜（SEM）图像（图1b）显示了由垂直生长的纳米片（直径约2µm；厚度约40 nm）组装而成的均匀阵列结构。
图1 a） 不同弯曲条件下IE-SACs的照片。b、 c）IE-SAC（PA+MA）低倍和高倍的SEM图像。d） IE-SAC（PA+MA）的EDX标测结果。e） IE-SAC（PA+MA）低倍和高倍的TEM图像。f） IE-SAC（PA）、IE-SAC（PA+MA）和IE-SAC（MA）的N2吸附等温线（插图：相应的孔径分布）。
如图2a、b所示，与RHE相比，SAC（PA+MA）的起始电位为0.951v，半波电位为0.851v，有限扩散电流密度为5.345 ma cm−2，大于SAC（PA）、SAC（MA）和商业基准10%和20%-Pt/C催化剂。从LSV曲线获得的Tafel图的斜率（图3c）进一步证明，SAC（PA+MA）具有良好的ORR动力学，Tafel斜率较低，为59 mV dec−1（ηL；其中总的ORR速率由催化剂上的表面反应速率决定），Tafel斜率高达133 mV dec−1（ηH；其中总的ORR速率取决于氧气扩散）。
图2 a) LSV曲线，b)相应的起始电位和半波电位，以及c)在0.1m氢氧化钾溶液中，以1600转/分的旋转速率和10mV·s-1的扫描速率，对ORR的IESAC(PA)、IESAC(PA+MA)和IESAC(MA)(样品处于粉末状态)的Tafel图。d) LSV曲线，e)10和50 mA cm−2的过电压，f)10 mV s−1的1 M氢氧化钾溶液中OER离子交换膜的Tafel曲线。g)IE-SAC(PA+MA)和SAC(PA+MA)的双功能活性。对于ORR和OER，恒定电位为0.8 V时，IE-SAC（PA+MA）的I–t曲线与RHE的I–t曲线。
图3 a） 液体ZABs的极化曲线及相应的功率密度图。b） IE-SAC（PA+MA）组装的液体ZAB在5 MA cm−2下的恒流放电曲线。c） 液体ZABs在不同电流密度下的放电曲线。d） 柔性全固态ZAB开路电压曲线。e）固态ZAB在不同电流密度下的恒流放电/充电曲线。f） 固态ZAB在不同弯曲条件下的放电/充电电压分布（插图：固态ZAB在不同弯曲角度下的照片）。g） 固体ZAB的长期稳定性试验。h） 在（i）不弯曲状态（插图：LED在黑暗环境中发出明亮的光）和（ii）弯曲状态下，由两个串联的ZAB照亮的三个并联红色LED的照片。
总之，以乳酸脱氢酶为前驱体，采用一种新的限制合成策略成功地制备了碳纳米片上高分散钴单原子的集成电极。由于具有层间分子的LDHs的多功能性，所提出的基于转化的限制合成策略可以扩展到制备其他的集成SACs。（文：8 Mile）