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材料学院董立峰教授团队在锌空电池和超级电容器研究领域取得进展
作者:材料学院  来源:材料学院  编辑:李鲲鹏   点击:[] 日期:2020年09月07日

电能的储存系统,对合理利用风能、潮汐能和太阳能等可再生能源十分重要。在各种储能系统中,电化学储能装置,如超级电容器、锂离子电池和金属-空气电池等均显示出巨大的潜力。我校材料科学与工程学院董立峰教授和于立岩教授致力于电化学储能技术的研究,以简单合成低成本碳基材料为电极和空气催化剂在超级电容器和锌空电池领域取得阶段性进展。以澳门赌钱官网为第一通讯单位,在一区期刊Chemical Engineering Journal(影响因子10.652)发表论文两篇(2020, 393, 124710;2020, 399, 125718)。

超级电容器具有功率密度高、循环稳定性好、绿色环保等众多优势,被公认为本世纪最具潜力的新型绿色能源器件之一。有序介孔碳因其具有高度有序的孔道结构、可调控的孔道尺寸以及高温稳定性等诸多优势,被认为是理想的超级电容器电极材料。然而,传统的有序介孔碳制备方法较为繁琐,合成周期漫长。与此同时,有序介孔碳的电容性能往往达不到理想要求,很大程度上限制了其进一步应用。

近日,团队在“A novel sol-gel strategy for N, P dual-doped mesoporous carbon with high specific capacitance and energy density for advanced supercapacitors”(2020, 393, 124710,https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.124710)工作中提出一种创新型溶胶-凝胶法,在合成结构高度有序、高比表面积和电化学性能优良的介孔碳材料的同时,大大缩短了其合成时间。与传统的蒸发诱导自组装法不同,本工作中采用乙醇/去离子水的混合物来代替单纯的无水乙醇作为溶剂,实现了自组装和溶剂蒸发过程同步进行,避免了耗时的自然蒸发过程,大大提高了制备效率。与此同时,实验中采用聚吡咯和氨基三亚甲基膦酸分别作为N源和P源对材料进行功能化修饰,N与P之间的协同效应增加了大量以P-C键为主的活性位点,极大地提高了材料的电化学性能。这项工作对实现有序介孔碳材料在能源储存与转换领域的大规模应用具有一定的科学价值和现实意义。材料学院硕士生辛喜鹏、硕士生康洪权和冯建光老师为共同第一作者。

锌空电池由于具有低成本(<10 $/kWh)、高能量密度(1086 Wh/kg)、低自放电率、环境友好等优势,被认为最有前途的电能储存技术之一。目前,锌空电池的空气电极主要采用Pt、Ir等贵金属基催化剂,其成本昂贵,且对锌空电池的充放电过程涉及的氧析出和氧还原双功能催化活性差。因此,开发具有高效双功能催化活性且价格低廉的非贵金属基催化剂对二次锌空电池的发展和商业化有重要的意义。

近日,团队在“Dual-active-site hierarchical architecture containing NiFe-LDH and ZIF-derived carbon-based framework composite as efficient bifunctional oxygen electrocatalysts for durable rechargeable Zn-air batteries”(2020, 399, 125718,https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.125718)工作中利用“沸石咪唑酯骨架结构材料(ZIF)”的衍生物与Ni、Fe双金属氢氧化物(NiFe-LDH)共同构建了一种具有多层次复合结构的催化剂。该材料充分利用了两种组元对氧还原和氧析出的高效催化活性,通过合理的结构、组成设计和不同离子之间的协同作用来提高其双功能催化活性和稳定性。ZIF原位生成的碳纳米管和负载的片状LDH与基底碳材料构建的多层次复合结构不仅利于反应物与产物的扩散传质,且能够有效避免催化活性位点之间的相互遮挡,使催化活性位点在材料表面充分暴露。该催化剂在碱性电解质中表现出与贵金属催化剂相当的氧还原与氧析出催化活性及更高的稳定性,并且二次锌空电池中显示出107.8 mW cm?2的放电功率密度和高达1800次稳定的充放电循环,其性能远超贵金属催化剂。这项工作为开发高性能二次锌空电池的双功能催化剂提供了一种更为简单有效的思路。材料学院博士研究生陈迪为第一作者。

以上工作得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、青岛市科技发展计划、澳门赌钱官网崂山学者等项目的资助。

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