自供电传感系统(SPSSs)是智能便携式电子器件中的关键组件。锌空气电池(ZABs)具有开路电位高等优点,作为一种很有前途的能源器件,为开发新型用于传感的SPSS提供了良好的机会。
近日,华中师范大学朱成周教授报道了一种层状多孔的单原子铱嵌入的包氮掺杂的碳(SA-Ir/NC)作为中性ZABs中的氧还原反应(ORR)高效催化剂,从而使SPSSs能够以高灵敏度和稳定的输出信号进行葡萄糖检测。
文章要点
1)研究人员首先在硅溶胶悬浮液中加入一定量的氨基葡萄糖、ZnCl2和IrCl3,然后冷冻干燥得到干燥粉末。然后对所得粉末进行热解,用HF溶液除去SiO2模板,得到SA-Ir/NC。TEM图像显示,层状多孔SA-Ir/NC继承了SiO2模板的纳米结构,平均孔径约为23 nm,有利于提供更易获得的活性中心,促进质量传输。HRTEM图像显示,整个区域内没有Ir纳米颗粒或纳米团簇。像差校正的扫描透射电子显微镜(AC-STEM)图像进一步揭示了SA-Ir/NC中大量孤立分散的Ir原子。
2)在中性电解液中,SA-Ir/NC的ORR活性和稳定性优于商品Pt/C。理论计算结果显示,SA-Ir/NC中的IrN5活性位点对反应中间体具有中等的吸附自由能,使SA-Ir/NC具有优异的四电子ORR催化活性和较强的抗H2O2性能。当采用SA-Ir/NC作为空气正极时,所制备的ZABs具有1.42 V的高开路电压,90.4 mW cm−2的高功率密度,以及良好的长期稳定性。将其与葡萄糖氧化酶结合后,研究人员成功地建立了基于竞争模型的葡萄糖灵敏检测系统,在生物传感领域有着广阔的应用前景。
参考文献
Xin Luo, et al, Neutral Zn-Air Battery Assembled with Single-Atom Iridium Catalysts for Sensitive Self-Powered Sensing System, Adv. Funct. Mater. 2021
DOI: 10.1002/adfm.202101193
https://doi.org/10.1002/adfm.202101193