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武汉理工大学可充锌空气电池取得重要进展
来源:木士春教授课题组 个人网站 发布日期:2018-01-30

发布:2018-1-23 武汉理工大学经纬网

近期,武汉理工大学木士春教授研究组、Francis Verpoort教授团队通过将金属有机骨架(MOF)作为前驱体,制备了一系列异质原子掺杂的多功能碳纳米材料,展现出优异的氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)催化性能及可充锌空气电池性能。连续在国际材料研究领域顶级学术期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)(影响因子IF=12.124)上发表了3篇相关学术论文,而且3篇论文均入选热点论文,提高了我校在可充锌空气电池研究方面的国内外影响力。

锌空气电池作为一种子金属空气电池,是以空气中的氧为正极活性物质,金属锌为负极活性物质将化学能转变为电能的装置。可充锌空气因具有电池容量大、比能量高(1084Wh/kg-1)、工作电压平稳、自放电少、安全性高和环保等优点,有望在新能源汽车、便携式电源、信号装置等应用方面得到广泛普及。然而,由于缺乏高效的ORR和OER催化剂,可充锌空气电池循环寿命通常较短。而且,可充锌空气电池使用的都是昂贵的金属催化剂(如铂和氧化铱等),急需要一种原材料丰富、价格低廉且性能高的催化剂作为替代。

对此,我校木士春教授研究组通过Mo-N界面耦合作用,将MoS2纳米片垂直封装在由MOF(metal-organic framework)衍生的氮掺杂碳(N/C)材料中,制备出了一种先进的多功能电催化剂(Mo-N/C@MoS2)。结合实验和密度泛函理论(DFT)计算研究,这一催化剂表现出非常高的ORR、OER和析氢反应(HER)催化活性及稳定性。当该催化剂作为可充锌空电池的阴极电催化剂时,表现出了优异的电输出性能:最高能量密度高达196.4 mW cm–2,5mA cm-2电流密度下效率高达63%,25 mA cm-2电流密度下的循环稳定性超过了48h。这些优异的性能可归功于其独特的三相活性点(MoS2边缘缺陷活性点、Mo-N界面耦合中心活心点和N-C活性点)和有利于扩散及传质的分级多孔结构。该成果已发表在《先进功能材料》(AdvancedFunctional Materials, 2017, 27, 1702300)期刊上。论文第一作者为来自非洲加纳的博士研究生Ibrahim Saana Amiinu。论文发表后,受到了广泛关注,单月下载量曾高居前6。

随后,木士春教授研究组又从3维ZIF (zeolitic imidazolate framework)纳米晶体出发,制备出了一种Co/N共掺杂碳纳米阵列(Co-Nx/C NRA)催化剂,其ORR、OER催化活性及稳定性分别优于贵金属Pt/C、IrO2催化剂,而且还展现出高的锌空电池性能。其优异的电催化性能很大程度上可归功于催化剂化学组分之间的协同效应、高比表面积以及拥有大量活性位点的纳米棒结构。通过结合实验分析和DFT计算研究,确定了催化剂的活性位点。该成果已在《先进功能材料》(AdvancedFunctional Materials, 2018, 28, 1704638)期刊上在线发表。论文第一作者同样为其研究组博士研究生Ibrahim SaanaAmiinu。

此外,木士春教授研究组还与我校FrancisVerpoort(王光明)教授千人研究团队进行紧密合作,采用由2维叶片状双金属(Co/Zn)ZIF衍生的氮掺杂碳纳米管封装的Co纳米粒子催化剂(Co-N-CNTs)作为可充锌空气电池双功能催化剂,表现出了优异的电池充放性能。制备的可穿戴柔性全固态锌空电池,在弯折条件下仍能持续稳定地输出电源。该成果已在《先进功能材料》(Advanced Functional Materials, 2018, 28, 1705048)期刊上在线发表。论文通讯作者分别为FrancisVerpoort教授和木士春教授,博士研究生王婷婷和寇宗魁为共同一作。

该项研究获得了国家重点研发计划(2016YFA0202603)和国家自然科学基金(51372186,51672204,21502146)的资助。

文章链接

1) Ibrahim Saana Amiinu, Zonghua Pu, Xiaobo Liu, Kwadwo AsareOwusu, Hellen Gabriela Rivera Monestel, Felix Ofori Boakye, Haining Zhang,and Shichun Mu. Multifunctional Mo-N/C@MoS2 electrocatalyst forHER, OER, ORR and Zn-air batteries. Advanced Functional Materials, 2017, 27(44),1702300.

2)Ibrahim SaanaAmiinu, Xiaobo Liu, Zonghua Pu, WenqiangLi, Qidong Li, Jie Zhang, HaolinTang, Haining Zhang, Shichun Mu. From3D ZIF Nanocrystals to Co-Nx/C Nanorod Array Electrocatalysts for ORR, OER andZn-air Batteries.  Advanced Functional Materials, 2018, 28, 1704638.

3) TingtingWang#, Zongkui Kou#, Shichun Mu,Jinping Liu, Daping He, Wen Meng, Ibrahim Saana Amiinu, Kui Zhou, Zhixiong Luo,Somboon Chaemchuen, Francis Verpoort. 2D dual-metal ZIF derived bifunctional air electrodes with ultra-highelectrochemical properties for rechargeable zinc-air batteries. Advanced Functional Materials, 2018, 28,1705048.

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