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负载微量Co的氮掺杂缺陷碳用于全固态锌-空气电池

【引言】

电催化氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)是电化学能量转换装置(如燃料电池和金属-空气电池)的关键,OER&ORR的多步骤电子转移过程和缓慢动力学会产生较大的过电位,严重降低了反应效率。目前,贵金属Ru(Ir)基和Pt基催化剂是目前高效的OER和ORR电催化剂,但贵金属催化剂的稀缺性、不菲的价格以及差强人意的稳定性阻碍了其广泛的应用。因此,在保证高性能的前提下,开发廉价、高效的非贵金属催化剂,其重要性不言而喻。

【成果简介】

近期,中南大学雷永鹏教授和中科院福建物质结构研究所王要兵教授团队等通过“一锅”热解法制备含微量Co(1.5 wt.%)的N掺杂缺陷碳,在碱性条件下表现出高效的双功能氧析出/氧还原反应活性,高活性主要归因于独特的微-介孔结构(1~3 nm)、石墨-N掺杂(高达49.0%)、丰富的缺陷和石墨碳包覆的钴纳米颗粒。作为空气电极组装到锌-空气电池,可充式液态锌空气电池表现出优异的活性(最大功率密度为154.0 mW cm-2;在5 mA cm-2时的能量密度为773 Wh kg-1和超过100圈的优秀循环充放电稳定性)。继而组装了柔性、可充式全固态锌空气电池,电池的最高功率密度高达45.9 mW cm-2,是以前报道的最高水平之一。该研究成果已于近期发表在著名期刊Science Bulletin(N-doped defective carbon with trace Co forefficient rechargeable liquid electrolyte- /all-solid-state Zn-air batteries)。

图文导读

负载微量Co的氮掺杂缺陷碳用于全固态锌-空气电池

图1 Co-NDC的 (a) SEM图,(b) TEM图,(c) 元素mapping图,(d) HRTEM图,(e) Co-NDC的CoK-edge的K空间谱图,(f) Co-NDC和Co箔的CoK-edge的R空间谱图

负载微量Co的氮掺杂缺陷碳用于全固态锌-空气电池

图2 (a) BET图,(b) CA, NDC和Co-NDC的Raman谱图, (c) Co-NDC的拟合Raman谱图,(d) 高倍N1s谱图

负载微量Co的氮掺杂缺陷碳用于全固态锌-空气电池

图3 NDC, Co-NDC, Pt/C和RuO2/C的(a) OER极化曲线;(b) 塔菲尔斜率,(c) NDC,Co-NDC和Pt/C的ORR极化曲线,(d) Co-NDC在不同转速的极化曲线,(e) Co-NDC在不同扫速下CV曲线,(f) NDC和Co-NDC的双电层电容比较 

负载微量Co的氮掺杂缺陷碳用于全固态锌-空气电池

图4 (a) Co-NDC和Pt/C的放电曲线和对应的功率密度曲线,(b) Co-NDC的恒流放电稳定性,(c) Co-NDC和Pt/C+ Ir/C在10 mA cm-2条件下的充放电循环稳定性

负载微量Co的氮掺杂缺陷碳用于全固态锌-空气电池

图5 (a) 全固态电池示意图,(b) Co-NDC的充放电曲线和对应的功率密度曲线,(b) Co-NDC与已报道催化剂的最大功率密度值比较;Co-NDC在2mA cm-2条件下的充放电循环稳定性,插图为柔性全固态电池点灯照片

小结

本文介绍了一种基于“固态裂解”策略制备的含微量Co的N掺杂缺陷碳双功能催化剂,该催化剂廉价、高效。组装的柔性、可逆全固态锌空气电池在各种弯折情况下依然具有稳定的充放电循环性能。

雷永鹏简介

雷永鹏,男,1982年生。2011年毕业于国防科技大学,获材料科学与工程专业博士学位,博士论文被评为湖南省优秀博士学位论文(2014)。研究方向为结构/功能纤维及其复合材料、光/电能源催化材料。先后主持国家自科基金等项目,已发表SCI论文50余篇,授权国家发明专利5项。共同指导全军优秀硕士学位论文2篇,指导立项国家级大学生创新项目8项。

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