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基于電子態(tài)調(diào)控氧反應(yīng)催化劑取得新進(jìn)展

  近日,遼寧科技大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院遼寧省“能源材料與電化學(xué)”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室安百鋼教授團(tuán)隊(duì)的研究成果“Modest modulation on the electronic structure of Co 9S 8 by vanadium doping for high-performance rechargeable Zn–Air batteries”在《Applied Catalysis B:Environmental》在線(xiàn)發(fā)表。論文第一作者為2022級(jí)博士研究生吳琳,導(dǎo)師安百鋼教授為通訊作者,張涵博士和李莉香教授為共同通訊作者。該項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、興遼英才計(jì)劃項(xiàng)目以及遼寧省能源材料與電化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。
  氧反應(yīng)是質(zhì)子膜燃料電池、金屬-空氣電池和水電解中的動(dòng)力學(xué)控制步驟,而高性能氧反應(yīng)催化劑則成為發(fā)展上述系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。金屬-空氣電池需要催化劑具有氧還原(ORR)和氧析出(OER)雙重功能,而如何實(shí)現(xiàn)這種雙功能的優(yōu)化和平衡更具有挑戰(zhàn)性。近期,安百鋼教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)一種創(chuàng)新雙溶劑方法制備釩摻雜的V-Co 9S 8催化劑。該方法可以實(shí)現(xiàn)在Co 9S 8納米粒子晶格中原子水平的釩摻雜,從而調(diào)控催化劑電子構(gòu)型(圖1)。研究發(fā)現(xiàn),適量的釩摻雜水平,即對(duì)催化劑電子結(jié)構(gòu)的溫和調(diào)控能夠優(yōu)化Co的自旋態(tài),平衡反應(yīng)過(guò)程中氧中間體的吸附/解吸,從而加速氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)(圖2)。實(shí)驗(yàn)研究證實(shí),使用V-Co9S8作為空氣陰極催化劑組裝的鋅-空氣電池可提供超高功率密度(345 mW cm -2)、能量密度(814 mAh g Zn -1)和在5 mA cm -2下循環(huán)840次的非凡穩(wěn)定性(圖3)。

圖1. 雙溶劑法制備V-Co9S8催化劑微觀(guān)形貌、結(jié)構(gòu)和元素分布圖


圖2. 催化劑紫外光電子能譜、電子順磁共振譜、有效磁矩、相對(duì)活性、吸附中間體模型和基于兩種模型的反應(yīng)自由能圖


圖3. 鋅-空氣電池電化學(xué)性能圖

  相關(guān)鏈接: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.122250



  (供稿:化工學(xué)院)