合肥光源用户在超高功率密度金属-空气电池研究中获新进展
时间 : 2021-02-04     
金属-空气电池因其能量密度高、环保、成本低而成为下一代能源存储系统不可或缺的一部分。然而,目前所报道的金属-空气电池仍存在功率密度和稳定性等问题,严重阻碍了其大规模应用。

基于此,中国科学技术大学吴长征教授和谢毅院士等团队报道了一款具有超高功率密度、稳定性强的锌-空气电池。得益于纳米孔的水阻效应,高活性的Co 原子团簇位点被限域在特定的纳米孔中,具有稳定的气-固-液三相反应区域,从而增强了传质能力,活性位点得到充分利用,稳定性强。同时,紧密交织的多孔碳导电网络与高度分散的活性位点也能显著提高导电性和催化活性。因此,所制备的-空气电池在较高电流密度中展现了稳定的放电性能(在100 mA·cm-2 中至少稳定工作90 h)和优异的功率密度(峰值功率密度大于300 mW·cm-2,比容量达到500 W·g·cat-1)。

在此研究中,通过将活性位点限定在指定的纳米孔中,有效地提高了纳米孔约束的电催化剂的传质能力以及活性位点的利用率。将Co(NO3)2、邻二氮菲溶解在乙醇中,加入Ketjenblak多孔炭黑。由于碳基质具有丰富的多孔结构以及与金属大环分子之间的π-π相互作用,可将Co-邻二氮菲吸附于纳米孔中。随后通过冷冻干燥,在750 ℃ 惰性气氛中煅烧2 h,将Co 团簇限域到纳米孔中,命名为Co/PC,示意图如图1a 所示。HRTEM 图像表明Co/PC 中存在大量清晰可见的孔结构,且无纳米颗粒存在。从图1c 的HAADF-STEM 图像可以看出,Co 原子对应的大量亮点在碳骨架中均匀分布,大部分亮点的直径都在0.5-1.0 nm 左右,说明Co 主要以钴纳米团簇的形式存在。

在研究过程中,该团队借助合肥光源软X射线磁圆二色站(BL12B)的同步辐射软X射线吸收谱的表征(图1b、c)发现:相比于Co/CNT, Co/PC 的Co 的L 边峰强度更大,表明Co/PC 样品中Co 纳米团簇和碳基质之间存在强电荷转移效应。而C 的K 边 XANES 谱表明,Co/PC 样品在287.1 eV 附近出现了弱吸收峰,也证实了Co 纳米团簇和碳基底之间的电荷转移。这一研究成果将提高我们对设计高效ORR 催化剂的认识.

相关研究工作以“Nanopore Confinement of Electrocatalysts Optimizing Triple Transport for an Ultrahigh-Power-Density Zinc-Air Fuel Cell with Robust Stability”为题,发表在国际著名学术期刊《先进材料》上[Advanced Materials 32(47): 2003251 (2020)]。                                           

   
图1. (a) Co 团簇限域在多孔碳结构(Co/PC)中的示意图。(b-c) Co/PC 的TEM 图和HRTEM 图(d) Co/PC 和Co/CNT 的Co L-edge 及(e) C K-edge 吸收谱