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温室气体CO2也能作为碳源制备碳材料

目前,商业化的锂离子电池负极材料是石墨,但其较低的比容量促使了研究者们向更高容量的碳材料进发。例如,硬碳、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯,碳球等。相对于石墨,这些碳材料拥有更高的能量密度,这归功于其独特的纳米结构,大的比表面积和多孔结构。

近期,武汉大学汪的华教授等人通过熔融盐电解法,在Li-Na-K碳酸熔融盐电解质中把温室气体CO2电解还原成碳材料。用作锂离子电池负极时,表现出了优越的电化学性能,这一成果发表在国际能源期刊Journal of Power Sources(影响因子:6.333)。

为更全面探究电解碳的储锂性能,作者制备出T450-4.5 V,T550-4.5 V,T650-4.5 V,T450-3.5 V和T450-5.0 V五种材料(命名格式:T电解温度/-电解电压/V),探究电解时温度和电压对其电化学性能的影响。

温室气体CO2也能作为碳源制备碳材料
图1  T450-4.5V,T550-4.5V,T650-4.5V的电压-容量曲线(a-c)以及500mA/g倍率下的循环性能(d)。

 温室气体CO2也能作为碳源制备碳材料
图1  T450-4.5V,T550-4.5V,T650-4.5V的倍率性能。

首先,作者探究了电解温度对电解碳电化学性能的影响。450℃电解温度下得到T450-4.5V材料表现出最好的循环和倍率性能。在电流密度500mA/g下,T450-4.5V首次充电比容量分别为554mAh/g,循环500次后,容量保持在266mAh/g。在电流密度50,100,200,500和1000mA/g下,首次比容量分别为798,686,,563,481,426mAh/g,当电流密度从1000mA/g至50mA/g,容量仍保持在628mAh/g,体现了材料具有良好的脱嵌锂可逆性。

温室气体CO2也能作为碳源制备碳材料

图3 T450-3.5V,T450-4.5V,T450-5.0V的电压-容量曲线(a-c)以及500mA/g倍率下的循环性能(d)。

温室气体CO2也能作为碳源制备碳材料
图4 T450-3.5V,T450-4.5V,T450-5.0V的倍率性能。

接着,作者探究了电解电压对电解碳电化学性能的影响。在电流密度500mA/g下,循环500次后,T450-3.5V,T450-4.5V,T450-5.0V的比容量分别为200,266,163 mAh/g,结果表明电压对电解碳电化学性能影响不大。

最后,作者解释了T450-4.5V电化学性能优越的原因。(1)纳米尺寸的活性材料减小了电子和离子固态扩散长度,加快充放电速度;(2)大的比表面,多孔结构、空位以及缺陷的存在可提供丰富的储锂位点,有利于增加容量。最重要的是,独特的熔融盐电解法为制备碳材料和俘获温室气体提供了借鉴,有利于制备锂离子电池负极碳材料的同时解决温室气体效应等环境问题。

编者言:这种方法制备的碳材料电化学平台不稳定,或者可以很好的作为电容材料。

制备方法:将500g无水的混合Li2CO3-Na2CO3-K2CO3电解质(摩尔比:Li2CO3: Na2CO3: K2CO3 =43.5: 31.5: 25)放置在氧化铝坩埚中,然后转移到不锈钢管式炉中。在空气气氛250℃下,煅烧48h;接着在CO2气氛下,升至800℃煅烧,最后分别冷却在450,550,650℃下进行电解。在电解过程,SnO2棒作为阳极,泡沫镍作为阴极,并且一直通CO2气体。先在1.5V下电解2h,去除水和杂质。接着分别在3.5,4.5和5.0 V电压下电解。最后,收集阴极电解得到的产物,用1M HCl和去离子水洗涤,再在80℃真空条件下烘干,即可得到电解碳。

Juanjuan Tang, Bowen Deng, Fei Xu, Wei Xiao, Dihua Wang. The lithium storage performance of electrolytic-carbon from CO2, Journal of Power Sources, 341 (2017) 419-426.

通讯作者简介:

汪的华,教授,博导。1991年毕业于武汉大学环境化学专业,获理学学士学位;1994年于武汉大学材料保护研究室获理学硕士学位并留校任教;1998年获武汉大学物理化学专业理学博士学位。研究方向包括:(1)资源高效与循环利用;(2)二氧化碳减排与资源化技术;(3)能源与环境材料;(4)金属腐蚀与防护;(5)绿色冶金与太空资源原位利用;(6)电化学清洁生产技术与工艺。在 Angewante Chemie International Edition, Energy & Environmental Science, Environmental Science & Technology, Chemical Society Reviews等国内外学术期刊发表论文100多篇。中国金属学会熔盐化学与技术专业委员会委员(2005-)、中国腐蚀与防护学会腐蚀电化学及测试方法专业委员会副主任委员(2002-)、中国腐蚀与防护学会缓蚀剂及应用专业委员会委员(2001-)、《腐蚀科学与防护技术》编委(2001-)。

邮箱:wangdh@whu.edu.cn

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参考文献:jps

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