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材料學院在國際頂級能源催化期刊《Applied Catalysis B: Environmental》發表最新研究成果

發布時間:2020-05-12作者:李海明出處:材料科學與工程學院供稿審核人:劉永德責任編輯:婁 峰訪問量:962

近日,齊魯工業大學材料科學與工程學院教師李光達與該院青年泰山學者孟憲賡教授、山東大學化學與化工學院徐立強教授合作,在國際頂級能源催化類期刊《AppliedCatalysis B: Environmental》(中科院一區TOP,IF=14.229)發表題為“Co4N nanoparticlesencapsulated in N-doped carbon box as tri-functional catalyst for Zn-airbattery and overall water splitting”的最新研究成果。齊魯工業大學(山東省科學院)為該工作的第一完成單位,材料學院研究生葛懷云為該論文第一作者。



鋅空氣電池具有能量密度高,原料豐富無污染,可再生利用,安全性能高等優點,是當今綠色儲能電池的重要研究方向之一。由二次鋅空氣電池的反應原理可知,氧還原反應(ORR)和氧析出反應(OER)是二次鋅空氣電池以及燃料電池實現能源轉化的重要反應過程。但是,該反應路徑較復雜,中間體生成較多,反應活化能較高,本征動力學速率緩慢,成為制約二次鋅空氣電池性能的關鍵因素。傳統的Pt/C、Ir/C、RuO2等貴金屬催化劑具有良好的ORR/OER催化活性,但成本高昂、儲量稀缺,且在工作環境中易發生毒化現象,從而使其規;瘧檬艿较拗,因此發展高性能(兼具高活性和高穩定性)、低成本的雙功能電催化劑是推動二次鋅空氣電池發展的重要方向之一。


該工作以ZIF-67為前驅體,首先將Co納米顆粒分散到N摻雜C殼中獲得了Co/NC材料,進一步通過氮化處理將Co顆粒轉化為Co4N,從而大幅度提升了材料的ORR和OER活性。在堿性條件下材料的ORR半波電位為0.84 V高于貴金屬Pt/C(0.83 V),在10 mA/cm-2電流密度處OER過電位僅290 mV。密度泛函理論(DFT)計算發現,N在Co晶體中的摻雜大大降低了催化過程速控步的過電位。以該材料為催化劑組裝的二次鋅空氣電池在5 mA/cm-2電流密度下,可穩定循環750 h以上。以此組裝的柔性二次鋅空氣電池同樣表現出優異性能,可在任意彎折角度下穩定充放電,其性能遠優于商業化Pt/C催化劑。


該工作獲得國家自然科學基金項目(11774188)、山東省自然科學基金項目(ZR2018QB003)、山東省高等學校優秀青年創新團隊項目(2019KJA006)和山東省高等學校優勢學科人才團隊培育項目(03010304)支持。


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