为了解决全球范围内日益严重的能源消耗和环境污染问题，对新的能源生产和存储技术进行了广泛的研究。质子交换膜燃料电池和金属空气电池由于它们的低成本，燃料可用性，温和的操作条件和无污染的排放，而成为为新兴交通运输业提供动力的关键组件。然而，由于阴极氧还原反应(ORR)动力学缓慢，需要使用昂贵的Pt/C催化剂，并且使用寿命短，不可持续，因此阻碍了它们的大规模商业应用。寻找低成本的非贵金属基ORR电催化剂，以替代燃料电池和金属-空气电池中的Pt/C是重要的研究方向。碳气凝胶具有较大的比表面积，适合于氧还原反应(ORR)中大量暴露的催化活性位点的形成。

有鉴于此，青岛科技大学王荣方教授、王辉教授和玉林师范学院Zaiyong Mo等人，制得的碳气凝胶经过锰辅助退火工艺，比表面积高达754 m² g^-1，具有丰富的大孔结构，并且表面氮含量增加了四倍。

本文要点

1）经过优化的Mn-N共掺杂碳气凝胶（以MnCl₂·4H₂O与碳的质量比为1:10），在800°C的温度下退火，在三电极系统中表现出出色的ORR催化活性，起始电势为0.988 V，略高于商业Pt / C的0.975 V（20 wt％，Johnson Matthey）。

2）使用这种含非贵金属的材料作为ORR阴极催化剂的一次锌空气电池，其电流密度为100 mA cm^-2工作时的开路电压，输出电压和功率密度分别为1.467 V、1.124 V和112.38 mW cm^-2，比含Pt/C的锌空气电池的值分别高11 mV，97 mV和9.75 mW cm^–2。

3）Mn-N共掺杂碳气凝胶优异的ORR性能是由于丰富的大孔、高密度的氮基催化活性位点以及一定量的MnO催化活性位点的协同作用。

参考文献：

Yanhua Pang et al. Manganese-Assisted Annealing Produces Abundant Macropores in a Carbon Aerogel to Enhance Its Oxygen Reduction Catalytic Activity in Zinc–Air Batteries. ACS Sustainable Chem. Eng., 2021.

DOI: 10.1021/acssuschemeng.0c07938

https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.0c07938