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易清风教授课题组在碳纳米管材料的合成及 应用于中性锌-空气电池研究方面取得新进展

锌空气电池由于其高比能量,高电流密度,低成本而成为一种很有前景的新能源。然而,阴极氧还原反应(ORR)的缓慢性限制了其性能和商业应用。此外,通常的锌-空气电池以高浓度的碱性氢氧化钾/氢氧化钠溶液(KOH/NaOH)作为电解液,但由于阳极锌在强碱性介质中的自发溶解倾向以及碳基空气阴极在浓碱性条件下的腐蚀,减缓了离子电解质的电导率和电池寿命。中性电解质对环境无害,可避免碱性电解质引起的腐蚀问题。因此,研究中性电解质的锌-空气电池具有重要的实际意义。

碳纳米管具有巨大的表面积和良好的导电性,越来越多地用于电化学催化和储能装置。由于氮掺杂剂与过渡金属物质的高亲和力,促进了氮掺杂碳和金属氧化物之间更强的耦合效应,这可以大大加速催化剂表面和反应中间体之间的界面电子转移。研究人员认为设计掺杂富电子氮的碳纳米管作为ORR电催化剂具有广泛的应用前景。合成氮掺杂碳纳米管(NCNT)的许多策略包括电弧放电,化学气相沉积和静电纺丝等,但它们涉及苛刻的条件而受到限制。因此,探索具有高效ORR电催化活性的氮掺杂碳纳米管的合成受到人们广泛关注。

近日,湖南科技大学理论有机化学与功能分子教育部重点实验室易清风教授研究团队首次报道了一种竹节状碳纳米管材料的合成,并将其作为阴极催化剂应用于中性锌-空气电池。以双氰胺作为氮源,葡萄糖作为碳源,金属铁和钴作为纳米管生长催化中心,合成了一种竹节状的碳纳米管材料,Fe和Co掺杂的C-N复合材料显示出比其他金属(例如Mn,Zn,Ni和Cu)掺杂的复合材料更好的ORR电活性。N元素被认为具有确保催化剂电活性的关键作用。以锌片作为阳极、所制备的催化剂负载在碳纸作为空气电极(阴极),在中性硝酸钾溶液(KNO3)中组装的锌-空气电池显示出优异且稳定的放电性能,并且更换锌阳极后,锌-空气电池可以反复放电,从而可实现简单的“机械充电”。 这项研究为合成应用于中性锌-空气电池的优异ORR电催化剂提供了新的策略。

这一成果以及相关工作近期先后发表在Journal of The Electrochemical Society和Electrochimica Acta上,文章的第一作者分别是湖南科技大学应用化学专业16级硕士研究生余亮和化学专业15级硕士研究生邓中梁,论文的唯一通信作者均为易清风教授。该工作也得到了国家自然科学基金(21376070, 21875062)的资助。

[1] Liang Yu, Qingfeng Yi*, Guang Li, Yao Chen, and Xiaokun Yang, FeCo-doped hollow bamboo-like C-N composites as cathodic catalysts for zinc-air battery in neutral media. J. Electrochem. Soc., 2018, 165 (11), A2502-A2509.

[2] Zhongliang Deng, Qingfeng Yi*, Guang Li, Yao Chen, Xiaokun Yang, Huidong Nie, NiCo-doped C-N nano-composites for cathodic catalysts of Zn-air batteries in neutral media. Electrochim. Acta, 2018, 279, 1-9.

 

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