《Journal of Energy Storage》：Optimal seasonal demand response for AC-OPF with precise and innovative modeling of thermal energy storage and optimal ESS allocation
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氮硫共掺杂多孔碳催化剂在MCM-41模板中通过CO?活化制备，实现Fe、N、S均匀分布的三维网络结构，提升氧还原/析出活性，碱性锌空气电池峰值功率密度达152.1 mW·cm?2，容量保持率95%。
刘振佳|皮欣欣|柴广顺|冉凌涛|何俊涵|王慕林|李彦辉|何岩
青岛大学机电工程学院，中国山东省青岛市266071
摘要
M-N-C催化剂是替代Pt/C用于氧还原反应（ORR）和氧 evolution 反应（OER）的有前景的材料，但其在锌空气电池中的应用受到质量传输不良和活性位点暴露有限的限制。在这项工作中，提出了一种简单高效的浸渍策略，在Mobil物质组成编号41（MCM-41）分子筛的受限空间内制备了一种铁改性的氮/硫共掺杂多孔碳催化剂。Fe、N和S元素在多孔碳骨架中均匀分布，形成了一个交织的三维网络结构，提供了丰富的电催化活性位点。该催化剂在ORR中的起始电位为1.064 V，半波电位为0.854 V，并且在OER中达到10 mA·cm?2的电流密度，过电位仅为340 mV。基于这种催化剂组装的锌空气电池（ZAB）表现出优异的实际性能，在连续运行132小时后，峰值功率密度为152.1 mW·cm?2，容量保留率为95%。这项工作为高性能电催化剂的设计提供了新的见解。
引言
随着能源需求的增长和碳中和目标的推进，锌空气电池（ZAB）因其高理论能量密度和环境可持续性而成为长时储能的有希望的候选者。[1,2] 然而，空气正极上的氧还原反应（ORR）和氧 evolution 反应（OER）动力学缓慢，严重限制了它们的效率和稳定性，这对高活性、耐用的电催化剂提出了严格要求。[3, [4], [5]] 虽然Pt/C和IrO2催化剂表现出优异的双功能性能，但它们的高成本、稀缺性和较差的长期稳定性限制了大规模应用。[6, [7], [8]] 因此，开发兼具高活性和耐用性的低成本双功能催化剂仍然是一个紧迫的挑战。[9, [10], [11]]
异原子掺杂已被广泛用于调节碳材料的电子结构和缺陷密度，从而提高其催化性能。[12,13] 特别是，氮掺杂引入了如吡啶氮（pyridinic-N）这样的活性位点，有助于O2的吸附和电子转移，尽管过量的氮可能会影响结构稳定性。[14, [15], [16]] 硫掺杂可以增大层间间距并调节电子极化，但其不均匀的表面分布常常会引起副反应。[17, [18], [19]] 因此，氮/硫共掺杂被认为是一种协同策略，可以同时优化局部电子环境和缺陷结构，从而提高双功能活性和稳定性。[20,21]
此外，基于钴的电催化剂的界面和掺杂工程已被报道可以显著提高ORR/OER性能，证明了过渡金属基策略的有效性。[22] 铁的引入也被证明可以通过生成丰富的Fe
N或Fe
S配位位点来增强ORR/OER活性，这些位点有助于氧的吸附和中间产物的稳定。[23], [24], [25]] 然而，传统的合成方法通常会导致铁在高温下聚集和孔隙结构不规则，从而降低活性位点的密度和长期稳定性。[26,27] 像MCM-41这样的介孔二氧化硅具有有序的通道和强的限制效应，为分散和稳定活性中心提供了一个有吸引力的平台。[28], [29], [30]] 尽管如此，在受限框架内实现铁的高度均匀分散，并同时构建明确的活性结构和分级孔隙结构仍然具有挑战性。[31,32]
在这项工作中，通过受限空间策略制备了一种铁改性的氮/硫共掺杂多孔碳催化剂，使用MCM-41作为模板，煤焦油沥青作为碳前体，并通过CO2活化来构建分级孔隙结构。MCM-41的受限结构使得Fe、N和S元素能够均匀分散，并且Fe-N/S配位稳定形成，有效减少了高温处理过程中的金属聚集。得益于氮/硫共掺杂、分级孔结构和Fe-N/S配位的协同效应，该催化剂在ORR/OER双功能活性和锌空气电池性能方面优于商用Pt/C催化剂，为高效低成本金属空气电池电催化剂的设计提供了新的见解。
部分摘录
化学品和材料
煤焦油沥青（CTP）前体购自中国河北省魏乡化工科技有限公司。三氯化铁六水合物（FeCl3·6H2O，分析级，≥99%），三聚氰胺（C3H6N6，≥99%），硫脲（CH4N2S，≥99%），氢氧化钾（KOH，≥98%）和乙醇（C2H5OH，≥99.7%）均来自上海新华制药试剂有限公司。介孔二氧化硅模板MCM-41由南京XFNANO材料科技有限公司提供。Nafion?离子溶液
材料合成和结构表征
Fe-NSC@CTP催化剂是通过使用MCM-41分子筛作为空间模板（如图1所示）的受限生长策略合成的。首先，FeCl3、三聚氰胺、硫脲和煤焦油沥青（CTP）在乙醇中与MCM-41共同组装，并在超声分散条件下进行反应。在此体系中，三聚氰胺和硫脲作为氮和硫的来源，而CTP提供了富碳涂层，有助于石墨化。随后在900°C下热处理后，Fe、N和S物种
结论
总结来说，Fe-NSC@CTP催化剂是通过基于MCM-41分子筛的受限合成策略制备的，结合了硫/氮共掺杂和铁浸渍。这种方法得到了一个三维多孔碳骨架，其中Fe、N和S元素均匀分布，形成了丰富且易于接近的电催化活性位点。所得结构表现出优异的导电性和稳定性，从而在碱性条件下实现了优越的双功能性能
CRediT作者贡献声明
刘振佳：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，可视化，验证，软件应用，数据分析。 皮欣欣：监督，资源调配，项目管理，方法论，研究设计，资金获取，概念构思。 柴广顺：数据管理。 冉凌涛：数据管理。 何俊涵：数据管理。 王慕林：数据管理。 李彦辉：监督，方法论。 何岩：监督，方法论。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了山东省自然科学基金（项目编号：ZR2024ME174和ZR2022QE265）和青岛市博士后研究员应用研究基金（项目编号：RZ2200001422）的支持。
