高效雙功能鋅空氣電池催化劑
提出了構(gòu)建硫/氮雙摻石墨烯負(fù)荷的有效原位耦合策略Co9S復(fù)合材料8納米顆粒。 2引入四磺酸基鈷卟啉形成Co9S8納米粒子的耦合劑和硫/氮雙摻石墨烯的摻雜源。 3將獲得的復(fù)合材料用作ORR和OER可充電鋅空氣電池和全固態(tài)鋅空氣電池采用催化劑。 內(nèi)容簡介 充電鋅空氣電池具有環(huán)保、成本低、理論能量密度高的優(yōu)點,在便攜式能源存儲設(shè)備和運輸應(yīng)用方面具有巨大的潛力。然而,電池反應(yīng)過程中的氧電極電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)緩慢,使其難以實際應(yīng)用。因此,有必要研究和開發(fā)氧還原反應(yīng)(ORR)與氧沉淀反應(yīng)(OER)雙功能活性催化劑。 近年來,過渡性金屬硫化物(如硫化鈷)因其價格低、催化活性高、穩(wěn)定性好硫化鈷)引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。然而,硫化鈷的導(dǎo)電性一般較差。石墨烯作為一種有效的導(dǎo)電基質(zhì),具有導(dǎo)電性優(yōu)越、比表面積大、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性優(yōu)異的優(yōu)點。此外,石墨烯的混合可以進(jìn)一步提高其導(dǎo)電性,并提供額外的電催化活性點燃料電池催化劑。 因此,硫化物與摻雜石墨烯的結(jié)合是研究的熱點之一。然而,簡單的復(fù)合材料很容易導(dǎo)致大量的納米顆粒聚集,使活性點暴露不足,從而降低了復(fù)合材料的催化活性。此外,納米顆粒與石墨烯之間的弱錨定作用使納米顆粒容易浸出,降低了復(fù)合材料的穩(wěn)定性。 為了解決上述問題,長春理工大學(xué)王恒國教授的研究小組首次與教授對話N4-功能導(dǎo)向設(shè)計用于制備硫/氮雙摻石墨烯負(fù)荷Co9S8納米顆粒的復(fù)合材料。分子間氫鍵和π-π作用于吸附氧化石墨烯表面的四磺酸鈷卟啉。在煅燒過程中,四磺酸鈷卟啉不僅作為耦合劑形成Co9S8納米粒子錨定在石墨烯表面,形成氮/硫雙摻雜石墨烯作為異質(zhì)元素的摻雜源。燃料電池催化劑 這種復(fù)合材料效率很高ORR和OER作為鋅空電池和全固態(tài)鋅空電池的催化劑,催化活性也表現(xiàn)出良好的充放電特性和循環(huán)性能。 1硫/氮雙石墨烯負(fù)荷Co9S8納米顆粒復(fù)合材料的制備 1硫/氮雙石墨烯負(fù)荷Co9S制備納米粒子復(fù)合材料的路線。 硫/氮雙石墨烯負(fù)荷Co9S8納米粒子復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和微觀外觀 2(a,b)SEM;(c)TEM;(d)HRTEM;(e)TEM元素分布。 SEM硫/氮雙石墨烯負(fù)荷Co9S8納米顆粒復(fù)合材料保持石墨烯的層狀結(jié)構(gòu),不產(chǎn)生聚集現(xiàn)象。TEM和HRTEM證實了Co9S8納米粒子的存在。元素分布顯示C,N,Co和S均勻分布在石墨烯表面,驗證了這種原位耦合策略可以有效避免活性位點的聚集。 硫/氮雙石墨烯負(fù)荷Co9S8納米粒子復(fù)合材料的電催化活性 硫/氮雙石墨烯負(fù)荷Co9S8納米顆粒復(fù)合材料ORR性能測試:(a)CV曲線;(b)不同樣品的極化曲線;(c)不同轉(zhuǎn)速下的極化曲線;(d)K-L插入電子轉(zhuǎn)移數(shù)的曲線;(e)不同樣品的塔菲爾斜率;(f)穩(wěn)定性測試。制氫電解槽 3說明硫/氮雙摻石墨烯的荷載Co9S8納米顆粒復(fù)合材料ORR催化劑顯示和商業(yè)催化劑Pt/C起始電位相當(dāng)(0).92V),以及較低的塔菲爾傾斜率(47).7mV/dec)。 硫/氮雙摻石墨烯Co9S8納米顆粒復(fù)合材料OER性能測試:(a)極化曲線;(b)不同樣品的塔菲爾斜率;(c)穩(wěn)定性試驗;(d)j=10mA/cm過電位與半波電位的差值。 4顯示硫/氮雙石墨烯負(fù)荷Co9S8納米顆粒復(fù)合材料OER催化劑時,在1.61V電位可達(dá)到10mA/cm2的電流密度低于商業(yè)RuO塔菲爾斜率2(69).2mV/dec1).5h)。 5可充電鋅空電池性能:(a)可充電鋅空電池的說明;(b)開路電位;(c)充放電曲線;(d)放電曲線及相應(yīng)的功率密度曲線;(e)10mA/cm充電-放電循環(huán)曲線在電流密度下;(f)12小時前后,鋅空電池點亮車燈的照片。 5顯示硫/氮雙石墨烯負(fù)荷Co9S當(dāng)8納米顆粒復(fù)合材料用作可充電的鋅空電池陰極材料時,顯示1.42V開路電位,72.14mW/cm功率密度2,以及良好的循環(huán)穩(wěn)定性(138h)。制氫電解槽 6全固態(tài)可充電鋅空電池性能:(a)全固態(tài)可充電鋅空電池示意;(b)開路電位;(c)充放電曲線及相應(yīng)的功率密度曲線;(d)2mA/cm充電-放電循環(huán)試驗在電流密度下。 6顯示,為了進(jìn)一步擴(kuò)大復(fù)合材料的實際應(yīng)用范圍,組裝了全固態(tài)可充電鋅空電池,電池開路電位為1.26V,功率密度為36.2mW/cm2、循環(huán)穩(wěn)定性好。制氫電解槽
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