<address id="vrtff"><nobr id="vrtff"><meter id="vrtff"></meter></nobr></address>
<noframes id="vrtff">
<address id="vrtff"></address><form id="vrtff"></form>
    <address id="vrtff"></address>

    <address id="vrtff"></address>

    <form id="vrtff"></form>

        1. 首頁
        2. 學術動態
        3. 原創文章

        清華張強AM:不對稱空氣陰極增強高性能鋅-空氣電池界面電催化反應

        清華張強AM:不對稱空氣陰極增強高性能鋅-空氣電池界面電催化反應

        清華張強AM:不對稱空氣陰極增強高性能鋅-空氣電池界面電催化反應 

        通訊作者:張強

        通訊單位:清華大學

        研究背景

        清華張強AM:不對稱空氣陰極增強高性能鋅-空氣電池界面電催化反應

        由于當前的環境危機和日益增長的能源需求,研究工作者們付出了巨大的努力來開發基于可再生能源的高效儲能裝置。可充電鋅空氣電池(ZABs)由于其各種優點(如理論能量密度高(1086 Wh kg-1)、安全的水電解質和豐富的鋅資源,在便攜式和大規模的電源供應以及存儲應用中顯示出相當大的潛力。ZAB的主要成分是金屬鋅陽極和與堿性水電解質一起封裝的空氣陰極。空氣陰極由集成在親水襯底上的氧電催化劑和疏水氣體擴散層(GDL)組成,以促進氧還原反應(ORR)和析氧反應(OER)進行。然而,該部分的反應動力學緩慢,往往阻礙了ZABs的能量效率和輸出功率,因此,克服ZABs性能瓶頸的關鍵是制備高效空氣陰極,其中本征電催化活性和界面工程起著同樣重要的作用。最近,人們提出了一系列具有優良本征ORR/OER活性的新型電催化劑,包括貴金屬基催化劑及其成本效益高的替代品(如碳基材料、過渡金屬氧化物/硫屬化合物/氫氧化物以及這些材料的雜化物)。它們的本征活性可以通過形貌調節、產生缺陷和調節電子結構來進一步優化,以促進反應動力學。

        成果簡介

        清華張強AM:不對稱空氣陰極增強高性能鋅-空氣電池界面電催化反應

        可充電鋅空氣電池(ZAB)由于其高的能量密度和安全的水電解質,是一種很有前途的儲能技術,但仍有一個重要的性能瓶頸。一般來說,陰極反應只發生在多相界面上,在那里電催化活性位點可以有效地參與氧化還原反應。在常規空氣陰極中,在氣體擴散表面的二維多相界面層(GDL)不可避免地會導致不充分的活性位點以及不良的界面接觸,從而導致反應動力學遲緩。針對這一問題,清華大學張強教授團隊提出了一種三維多相界面策略來擴展反應界面深入GDL的內部。基于這個概念,設計了一種不對稱空氣陰極來增加可接觸的活性位點,加速傳質,同時產生動態穩定的反應界面。采用NiFe雙層氫氧化物的電催化劑,ZABs基在不對稱陰極上產生一個小的充放電電壓間隙(在5.0 mA cm-2處為0.81 V),功率密度高,可循環性穩定(2000多個循環)。這種三維反應界面策略提供了一種可行的方法來增強空氣陰極動力學,同時進一步啟發了涉及多相電化學反應的能源器件的電極設計方法。

        圖文導讀

        清華張強AM:不對稱空氣陰極增強高性能鋅-空氣電池界面電催化反應

        清華張強AM:不對稱空氣陰極增強高性能鋅-空氣電池界面電催化反應 

        圖1. (a)傳統和(b)不對稱空氣陰極的示意圖。其中(a)和(b)分別具有二維和三維多相反應界面。不對稱空氣陰極表現出更多的活性中心、加速的傳質和動態穩定的反應界面。  

        如圖1a所示,雙電極可充電ZABs中的傳統的空氣陰極,是在疏水GDL表面載親水雙功能電催化劑層,通過滴鑄或噴涂的方法來構建多相反應界面來制備的。因此,傳統的空氣陰極結構不可避免地會產生緩慢和不穩定的反應動力學,這極大地阻礙了電池性能。為了克服二維反應界面的局限性,我們提出了一個增加維度的界面策略。它的核心思想是擴展原始的2D多相界面到GDL,在GDL內構造一個三維多相反應界面。與僅限于GDL表面2D界面相比,三維反應性界面可以顯著增加活性位點的數量并由于其延伸和相互連接的界面結構而加速了傳質。在我們的不對稱陰極設計中,氧電催化劑從GDL的一個面向內部生長,以達到一定的厚度,而GDL的其余部分保持其原始結構(圖1b)。由于這種結構允許在導電骨架內同時進行電解質滲透和氧擴散,因此實現了內部三維多相界面。基于這種不對稱空氣陰極的ZAB比傳統的空氣陰極具有更低的過電位、更高的功率密度和更穩定的循環性。

        清華張強AM:不對稱空氣陰極增強高性能鋅-空氣電池界面電催化反應

        圖2. 不對陰極兩面的表征。OCF和GDF的(a)光學照片和(b,c)SEM圖片顯示出不對稱的形貌特征。(d)顯示不對稱化學成分的拉曼光譜。(e)顯示出不對稱潤濕特性的ZAB電解質的接觸角。

        為了成功地構建所需的不對稱結構,采用各種技術對OCF和GDF在形貌、組分和性能上的差異進行了表征。首先,光學照片顯示不對稱陰極的兩個面是不同的顏色,如圖2a所示。OCF的棕黃色表示NiFe-LDH的生長,而GDF則保持CFP的原始黑色。用掃描電子顯微鏡(SEM)對二者的精細形態特征進行了研究。在OCF上,大量納米結構生長覆蓋在原始碳纖維上,觀察到部分覆蓋著空隙(圖2b)。由于氫氧化物的親水性,這種生長模式可以誘導良好的電解質膨脹,這將促進氫氧化物離子和氧在陰極內的通過性,以擴展反應界面。相反,在GDF上,只觀察到碳纖維以及一些聚四氟乙烯(PTFE)組分,它們在保持疏水性方面起著關鍵作用(圖2c)。 如圖2d所示,用拉曼光譜進一步鑒定了不對稱陰極兩面的化學成分。OCF的光譜清楚地顯示了水鎂石狀Ni(OH)2的特征峰以及與FeOOH(Fe3+)相對應的峰,表明其結晶度較低。同時,在1075 cm-1處的峰表明存在插層碳酸鹽離子。相反,GDF的光譜在上述波段沒有明顯的峰,驗證了兩個面上的化學成分是完全不同的。此外,利用接觸角測量研究了不對稱陰極潤濕特性的不對稱性,因為這一因素對于空氣陰極在ZABS中的實際應用具有重要意義(圖2e)。與GDF(142°)相比含ZAB電解質(6.0 M KOH+0.20 M Zn(Ac)2)的OCF表現出更小的接觸角(62°)因此,電解液可以很容易地潤濕OCF和部分充滿內孔,但避免了陰極完全被浸泡,并確保了來自相反GDF的流暢氣體擴散。這樣,在陰極內部就產生了一個增強的多相界面。

        清華張強AM:不對稱空氣陰極增強高性能鋅-空氣電池界面電催化反應

        圖3. 不對稱陰極的3D界面表征。(a)在OCF和GDF之間顯示異質結邊界的橫截面SEM圖像。(b)C,O,Ni和Fe元素的EPMA mapping。(c)沿橫截面切片的CT 3D斷層成像。(d)多相不對稱陰極(右)相對于傳統陰極(左)的反應界面優勢。

        為了研究不對稱陰極內的反應界面,通過橫截面SEM觀察了其內部結構(圖3a)。在不對稱陰極的上半部觀察到超納米粒子,而原始的碳纖維則保持在下半部,清楚地顯示了OCF和GDF之間的異質結邊界。電子探針X射線微量分析(EPMA)和能量色散譜(EDS)映射揭示了其元素分布證實不對稱陰極的不對稱結構。如圖3b所示,上半部分的OCF含有豐富的Ni、Fe、O和C,而下半部分的GDF只含有C。圖3c顯示了沿橫截面切片的三維圖。金屬基電催化劑在CFP的一個表面和內部明顯生長。如圖3d所示,不是傳統陰極的不良2D界面,而是不對稱陰極通過將電催化劑生長到GDL內部來實現三維多相反應界面,從而增強電解質和氣體的進入。利用增加活性中心數量和加速的傳質,不對稱陰極與傳統的空氣陰極相比表現出更強的動力學。

        清華張強AM:不對稱空氣陰極增強高性能鋅-空氣電池界面電催化反應

        圖4. 帶有不對稱陰極和傳統陰極的ZABs的電化學性能。(a)放電/充電極化曲線和能量密度曲線。(b)不同電流密度下的放電-充電曲線。(c)相應的平均放電/充電電壓和電壓間隙。

        4a比較了基于不對稱陰極和傳統陰極的ZABs在10.0 mV s-1掃描速率下的極化曲線。具有不對稱陰極的ZAB實現25.0 mA cm-2放電和充電電流密度所需的電壓分別為0.94和1.93v,而具有傳統陰極ZAB的電壓分別為0.84和1.96 V。為了評估不對稱結構對ORR/OER動力學的影響,在不同電流密度下,評估了不對稱陰極和傳統陰極ZABs的放電-充電曲線,如圖4b所示。顯然,不對稱陰極為ZAB提供了較小的充放電電壓間隙,特別是在高電流密度下,表明了較低的極化和較高的能量效率。此外,圖4c顯示了平均放電/充電電壓和電壓間隙值。雖然極化強度隨著電流密度的增加而增大,但基于不對稱陰極的ZAB在5.0、10.0、25.0和50.0 mA cm-2分別表現出相對較小的電壓間隙0.81、0.86、1.01和1.25 V,而具有傳統陰極的ZAB的電壓間隙分別為1.05、1.17、1.34和1.66 V。這些結果表明,不對稱空氣陰極在大電流條件下具有良好的應用潛力

        清華張強AM:不對稱空氣陰極增強高性能鋅-空氣電池界面電催化反應

        圖5. 帶有不對稱陰極和傳統陰極的ZABs的穩定性測試。(a)電流密度為5.0和25.0 mA cm-2的長時間恒電流循環測試。(b)在不同電流密度下的穩定循環次數。(c)帶有不對稱陰極的ZAB在每次循環階段,在10.0 mA cm-2處的平均放電/充電電壓和電壓間隙(插圖:不對稱陰極在循環后的橫截面SEM圖)。不對稱陰極在循環前后的Ni 2p(d)和Fe 2p XPS圖。

        空氣陰極的循環性能取決于其多相反應界面的穩定性。在5.0~50.0 mA cm-2的不同電流密度下,對ZABs進行了長時間恒電流循環測試。如圖5a所示,在初始活化過程之后,基于不對稱陰極的ZAB在5.0 mA cm-2處的放電電壓和充電電壓分別為1.12和1.93 V。如圖5b所示,具有不對稱陰極和傳統陰極的ZABs的穩定循環圈數之間的比率隨著電流密度的增加而逐漸增加,表明在高電流密度下,對不對稱陰極的穩定性更有利。以帶有不對稱陰極的ZAB在10.0 mA cm-2的放電/充電為例,在每個周期階段都有非常穩定的平均電壓間隙,在600個周期內只有小于20 mV的變化(圖5c)。如圖5d和5e所示,循環后Ni和Fe的化學狀態基本保持穩定,表明不對稱陰極具有較高的穩定性,在長期循環過程中可以提供穩定的電催化活性中心。

        總結與展望

        清華張強AM:不對稱空氣陰極增強高性能鋅-空氣電池界面電催化反應

        本文針對傳統空氣陰極中反應界面差、活性中心不充分的特點,提出了一種可充電ZABs的不對稱空氣陰極設計。陰極內電催化劑的不對稱生長產生了三維多相反應界面,大大增加了功能活性中心的量,加速了傳質,增強了界面的穩定性。因此,基于不對稱陰極的ZABs獲得了較低的過電位、較高的功率密度和較長的壽命。本工作為改進空氣陰極界面反應動力學提供了一種通用的策略,對具有大電流和長周期儲能應用的下一代金屬-空氣電池的電極設計具有指導意義。

        文獻鏈接

        清華張強AM:不對稱空氣陰極增強高性能鋅-空氣電池界面電催化反應

        Asymmetric Air Cathode Design for Enhanced Interfacial Electrocatalytic Reactions in High-Performance Zinc–Air Batteries.( Adv. Mater., 2020,DOI: 10.1002/adma.201908488 

        文獻鏈接:

        https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201908488

        清華張強AM:不對稱空氣陰極增強高性能鋅-空氣電池界面電催化反應

        清新電源投稿通道(Scan)

        清華張強AM:不對稱空氣陰極增強高性能鋅-空氣電池界面電催化反應

        本站非明確注明的內容,皆來自轉載,本文觀點不代表清新電源立場。

        發表評論

        登錄后才能評論

        聯系我們

        0755-86936171

        有事找我:點擊這里給我發消息

        郵件:zhangzhexu@v-suan.com

        工作時間:周一至周五,9:30-18:30,節假日休息

        QR code
        三级电影网站,国一级毛卡片,三级电影天堂,琪琪免费影院