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合肥光源用户在实现超高功率密度的金属空气电池研究中获新进展

发布时(shi)间:2019-11-30

金属(shu)-空气(qi)电(dian)池因其能量密(mi)度高(gao)、环保、成(cheng)本(ben)低而成(cheng)为(wei)下一(yi)代能源存(cun)储(chu)系(xi)统不可或缺的(de)一(yi)部分。然而,目前(qian)所报道的(de)金属(shu)-空气(qi)电(dian)池仍(reng)存(cun)在低功率密(mi)度和差的(de)稳定(ding)性等问题(ti),严(yan)重阻碍了其大(da)规模应用。

基于(yu)此,中(zhong)国科学技术大(da)学的(de)(de)吴(wu)长征教授、谢毅(yi)院士等团队报(bao)道(dao)了一(yi)款(kuan)具有超高(gao)功率(lv)密(mi)(mi)(mi)度、稳(wen)定(ding)性(xing)(xing)(xing)强的(de)(de)锌-空(kong)气电(dian)(dian)(dian)池。得益(yi)于(yu)纳米孔的(de)(de)水(shui)阻(zu)效应(ying),高(gao)活性(xing)(xing)(xing)的(de)(de)Co原子团簇位(wei)(wei)点(dian)被(bei)限域(yu)在特定(ding)的(de)(de)纳米孔中(zhong),具有稳(wen)定(ding)的(de)(de)气-固-液三(san)相反应(ying)区域(yu),从而增强了传质(zhi)能(neng)(neng)力,活性(xing)(xing)(xing)位(wei)(wei)点(dian)得到(dao)充分(fen)利用,稳(wen)定(ding)性(xing)(xing)(xing)强。同时,紧密(mi)(mi)(mi)交织(zhi)的(de)(de)多孔碳导电(dian)(dian)(dian)网(wang)络与高(gao)度分(fen)散的(de)(de)活性(xing)(xing)(xing)位(wei)(wei)点(dian)也能(neng)(neng)显著提高(gao)导电(dian)(dian)(dian)性(xing)(xing)(xing)和催化活性(xing)(xing)(xing)。因(yin)此,所制(zhi)备的(de)(de)Zn-空(kong)气电(dian)(dian)(dian)池在较(jiao)高(gao)电(dian)(dian)(dian)流密(mi)(mi)(mi)度中(zhong)展现了稳(wen)定(ding)放电(dian)(dian)(dian)性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)(在100 mA cm -2 中(zhong)至少稳(wen)定(ding)工(gong)作90 h)、优异的(de)(de)功率(lv)密(mi)(mi)(mi)度(峰(feng)值功率(lv)密(mi)(mi)(mi)度大(da)于(yu)300 mW cm -2 ,比容量达到(dao)500 W g cat -1 )。


在此(ci)研究中(zhong),通过将(jiang)活性位(wei)点限定在指(zhi)定的(de)(de)纳米(mi)孔(kong)(kong)中(zhong),有效地提高了纳米(mi)孔(kong)(kong)约束的(de)(de)电催化(hua)剂的(de)(de)传质能(neng)力以及活性位(wei)点的(de)(de)充分(fen)利用(yong)。将(jiang)Co(NO3)2 、邻二氮(dan)菲溶(rong)解在乙醇(chun)中(zhong),加(jia)入Ketjenblak多孔(kong)(kong)炭黑(hei),由于(yu)碳基质具有丰富(fu)的(de)(de)多孔(kong)(kong)结构以及与金属(shu)大(da)环分(fen)子(zi)(zi)之间的(de)(de)Π-Π相互(hu)作用(yong),可将(jiang)Co-邻二氮(dan)菲吸附于(yu)纳米(mi)孔(kong)(kong)中(zhong),随后通过冷冻干燥,750℃中(zhong)惰(duo)性气氛中(zhong)煅烧(shao)2 h,将(jiang)Co团簇限域到纳米(mi)孔(kong)(kong)中(zhong),命名为Co/PC,示意图如图1a所示。HRTEM图像(xiang)表(biao)明(ming)Co/PC中(zhong)存在大(da)量清晰可见的(de)(de)孔(kong)(kong)结构,且无纳米(mi)颗粒存在。从图1c的(de)(de)HAADF-STEM图像(xiang)可以看(kan)出,Co原子(zi)(zi)对应的(de)(de)大(da)量亮点在碳骨架中(zhong)均匀分(fen)布,大(da)部分(fen)亮点的(de)(de)直径(jing)都在0.5-1nm左右,说(shuo)明(ming)Co主要以钴纳米(mi)团簇的(de)(de)形式存在。





1. (a) Co团簇限域在(zai)多孔碳结(jie)构(Co / PC)中的示(shi)意(yi)图(b-c) Co/PCTEM图(tu)和(he)HRTEM

(d) Co/PCCo/CNT的(de)Co L-edge(e) C K-edge 吸(xi)收谱(pu)

在(zai)研(yan)究过程中(zhong),该团(tuan)(tuan)队借助合肥光源软X射(she)线磁圆二色站(BL12B)的(de)(de)同(tong)步辐射(she)软X射(she)线吸收(shou)谱(pu)的(de)(de)表(biao)征(zheng)(图(tu)1b、c)表(biao)明,相比(bi)于Co/CNT, Co/PC的(de)(de)Co的(de)(de)L边(bian)(bian)峰强度更(geng)大(da),表(biao)明Co/PC样品(pin)中(zhong)Co纳米团(tuan)(tuan)簇和(he)碳基质之(zhi)间存在(zai)强电(dian)(dian)荷转(zhuan)移效应。而(er)C的(de)(de)K边(bian)(bian) XANES谱(pu)表(biao)明,Co/PC样品(pin)在(zai)287.1 eV附近出现(xian)了弱吸收(shou)峰,也证实了Co纳米团(tuan)(tuan)簇和(he)碳基底之(zhi)间的(de)(de)电(dian)(dian)荷转(zhuan)移。这一研(yan)究成果将提高我们对设计高效ORR催(cui)化(hua)剂(ji)的(de)(de)认(ren)识,相关成果以“Nanopore Confinement of Electrocatalysts Optimizing Triple Transport for an Ultrahigh-Power-Density Zinc–Air Fuel Cell with Robust Stability”为题,发表(biao)在(zai)国际著名学(xue)术期刊《先进(jin)材料》(Advanced Materials 2020, 32, 2003251)上。




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