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福建物構(gòu)所在合成鋅空電池空氣極電催化劑研究中獲進(jìn)展
2021年04月02日 10:04:55
來源：福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所 點(diǎn)擊量：7001
中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所研究員曹榮和曹敏納研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并合成了一系列單原子催化劑。
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】近年來，對(duì)綠色能源的探索和開發(fā)帶動(dòng)了包括鋅-空氣電池(ZAB)在內(nèi)的一系列能源轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存裝置的研究。ZAB使用水系電解液且具有體積小、能量密度大、成本低等優(yōu)勢，被認(rèn)為是電能轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)能的重要技術(shù)方向，在未來能源應(yīng)用中有著廣闊前景。在ZAB充放電過程中，空氣電極上進(jìn)行的氧還原反應(yīng)(ORR)和氧析出反應(yīng)(OER)動(dòng)力學(xué)過程緩慢，需要較大的過電勢造成電壓損失，成為制約鋅空電池性能的核心問題。
中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所研究員曹榮和曹敏納研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并合成了一系列單原子催化劑(M-NHC，M=Fe, Co, Ni)，其中Fe-NHC在鋅空電池的性能測試中表現(xiàn)出比市售催化劑更高的功率密度、能量密度和穩(wěn)定性。該催化劑是以大環(huán)化物六元瓜環(huán)(CB[6])自組裝得到的棒狀超分子為碳前驅(qū)體，與廉價(jià)的金屬鹽混合均勻后通過簡單的熱解法合成得到。在合成過程中借助于瓜環(huán)超分子自組裝體內(nèi)部固有的孔道結(jié)構(gòu)，無需添加模板劑或者繁雜的后處理過程即可制備出具有分級(jí)微介孔結(jié)構(gòu)的多孔N摻雜碳載體，實(shí)現(xiàn)有效錨定金屬單原子的同時(shí)具有更高效的傳質(zhì)及電子轉(zhuǎn)移功能。在組裝成鋅空電池時(shí)，F(xiàn)e-NHC能夠達(dá)到157mW/cm2的功率密度，遠(yuǎn)高于市售催化劑Pt/C和Ir/C混合催化劑的120mW/cm2。在10mA/cm2的放電測試過程中，F(xiàn)e-NHC能夠維持長達(dá)60小時(shí)，而市售貴金屬催化劑在4個(gè)小時(shí)后出現(xiàn)嚴(yán)重的電壓損失。該工作通過簡易方法合成了廉價(jià)且高效穩(wěn)定的鋅空電池空氣極電催化劑，也為無模板法合成單原子催化劑提供了新策略。
相關(guān)研究成果發(fā)表在Applied Catalysis B: Environmental上，論文第一作者為福建物構(gòu)所博士章粟原。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃項(xiàng)目、福建省自然科學(xué)基金的支持。
福建物構(gòu)所無模板策略合成N摻雜多孔碳基單原子催化劑用于鋅空電池研究獲進(jìn)展
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