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可充电锌空气电池双功能催化剂的研究进展
1
作者
张立波
刘中原
+1 位作者
李一枫
计文希
《石油化工》
CAS
CSCD
北大核心
2024年第4期601-607,共7页
可充电锌空气电池具有能量密度高、环境友好、安全性好和成本低等优势,是非常有前景的新型储能体系,但面临着能量转换效率低、充放电稳定性差和电流密度低等缺点,需开发可同时催化氧还原反应/析氧反应的高催化性能双功能催化剂。现有的...
可充电锌空气电池具有能量密度高、环境友好、安全性好和成本低等优势,是非常有前景的新型储能体系,但面临着能量转换效率低、充放电稳定性差和电流密度低等缺点,需开发可同时催化氧还原反应/析氧反应的高催化性能双功能催化剂。现有的双功能催化剂存在贵金属催化剂价格昂贵、非贵金属催化剂稳定性差和碳载体腐蚀严重等问题。综述了近年来双功能催化剂作为空气电极在可充电锌空气电池中的应用进展,包括金属-有机骨架基催化剂、无金属基碳催化剂、金属基催化剂,分析了它们的优缺点,提出了双功能催化剂的一些设计思路,最后对双功能催化剂未来的研究和应用方向进行了展望。
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关键词
可充电锌空气电池
双功能催化剂
氧还原反应
析氧反应
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职称材料
碱式磷酸氢钴双功能电催化剂及其在可充电锌-空气电池中的应用
2
作者
宋璐涛
吕斌
+3 位作者
任磊
吴洋
练家乐
吕建国
《材料科学与工程学报》
CAS
CSCD
北大核心
2023年第2期169-175,181,共8页
具有高效和长循环的空气正极对构建高性能的可充电锌-空气电池(ZABs)至关重要。在此,首次采用水油两相水热合成方法,成功制备了一种双功能氧电催化剂Co_(3)(OH)_(2)(HPO_(4))_(2)(Co-OH-HPi)。研究表明:Co-OH-HPi电催化剂具有较大比表...
具有高效和长循环的空气正极对构建高性能的可充电锌-空气电池(ZABs)至关重要。在此,首次采用水油两相水热合成方法,成功制备了一种双功能氧电催化剂Co_(3)(OH)_(2)(HPO_(4))_(2)(Co-OH-HPi)。研究表明:Co-OH-HPi电催化剂具有较大比表面积和Co(Ⅲ)活性位点,展示出优异的ORR/OER双功能电催化性能。将该材料作为空气正极组装成ZABs后,具有较小的双功能氧电催化剂电势间隙(ΔE=0.81 V),1.42 V的高开路电压,在10 mA·cm^(-2)电流密度下816 mAh·gZn^(-1)的大放电比容量和150 mW·cm^(-2)的高峰功率密度。该研究提供了一种新颖的策略来合成优异的双功能电催化剂并应用于先进的锌-空气电池。
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关键词
碱式磷酸氢钴
水氧化反应
氧还原反应
可充电
锌
-
空气
电池
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职称材料
富含吡啶氮-钴活性位点的三维多级大/介孔石墨烯作为高效可逆氧电催化剂用于可充电锌-空气电池
被引量:
1
3
作者
周省
覃佳艺
+1 位作者
赵雪茹
杨静
《Chinese Journal of Catalysis》
SCIE
EI
CAS
CSCD
2021年第4期571-582,共12页
随着能源危机的日益严峻,能源的储存和转换越来越受到人们的重视.目前人们加以开发和利用的清洁能源主要包括太阳能、风能、氢能、地热能以及电化学能等.其中,燃料电池和金属-空气电池等作为电化学器件为电化学能的开发及可持续利用提...
随着能源危机的日益严峻,能源的储存和转换越来越受到人们的重视.目前人们加以开发和利用的清洁能源主要包括太阳能、风能、氢能、地热能以及电化学能等.其中,燃料电池和金属-空气电池等作为电化学器件为电化学能的开发及可持续利用提供了条件.特别是金属-空气电池以电极电位较负的金属如镁、铝、锌、铁等作负极,以空气中的氧或纯氧作正极,具有比能量高、性能稳定、价格便宜的特点.氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)是可再生电化学能量转换和储存过程中的两个关键电化学过程.贵金属(Pt/C,Ir/C,IrO_(2)等)虽然具有高催化活性,但价格昂贵、资源匮乏限制了其大规模的使用和发展.此外,它们的催化性能单一,难以同时实现多反应的高效催化.目前,大量研究工作集中在开发低成本、高效的ORR和OER催化剂,用来代替昂贵的铂类贵金属催化剂.在能源器件设计中,由于OER和ORR反应发生在同一个电极上,若能制备出具有ORR和OER双功能催化性能的电催化剂,将在很大程度上降低能源器件的设计难度.最近,我们的研究工作揭示了吡啶-氮-钴(pyri-N-Co)配位结构在协同作用中的重要性,协同作用大幅度提升了NiCo2O4/N掺杂石墨烯的本征催化活性.虽然金属粒子与掺氮石墨烯的结合有利于催化活性和稳定性的提高,但二维石墨烯片之间由于π-π键相互作用,容易聚集和堆叠.在实际应用中,石墨烯片之间的堆叠会导致可达表面的损失,从而使复合催化剂利用率降低,结构稳定性变差.因此,制备富含充分暴露且高效的ORR/OER活性中心的电催化剂仍然是一个巨大挑战.本文采用激光辐照法和水热法制备了具有层间大孔和片内介孔相互交联结构且负载铁酸钴纳米颗粒的三维多级孔石墨烯复合电催化剂(CoFe/3D-NLG),研究了其微观结构与ORR/OER电催化性能的关系.比表面积和X射线光电子能谱测试结果表明,CoFe/3D-NLG具有大的比表面积(322.6 m^(2) g^(-1))和孔体积(0.715 cm^(3) g^(-1)),并且富含吡啶氮-钴活性中心.电化学测试表明,对于OER电催化,CoFe/3D-NLG复合催化剂在10 mA cm_(-2)处的过电势为304 mV,优于商用RuO_(2)催化剂的322 mV;对于ORR电催化,CoFe/3D-NLG的半波电位达到872 mV,非常接近商用Pt/C催化剂(876 mV).此外,作为可充电锌空气电池的空气电极催化剂,CoFe/3D-NLG展现出了超高的开路电压(1.56 V)、高功率密度(213 mW cm_(-2))以及超低充放电电压(0.63 V),并且具有良好的充放电循环稳定性.CoFe/3D-NLG优异的ORR/OER电催化性能主要归因于以下两点:1)大量的吡啶氮-钴活性位点极大地加快了缓慢的氧电催化动力学,提高了每个活性位点的ORR/OER本征催化活性;2)丰富的层间大孔和面内介孔多级孔结构促进了整个石墨烯结构中的高效传质,因而在电催化过程中吡啶氮-钴活性位点得以充分暴露于电解液中.
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关键词
多级孔
复合催化剂
氧电催化
尖晶石氧化物
可充电
锌
-
空气
电池
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职称材料
题名
可充电锌空气电池双功能催化剂的研究进展
1
作者
张立波
刘中原
李一枫
计文希
机构
中石化(北京)化工研究院有限公司
出处
《石油化工》
CAS
CSCD
北大核心
2024年第4期601-607,共7页
文摘
可充电锌空气电池具有能量密度高、环境友好、安全性好和成本低等优势,是非常有前景的新型储能体系,但面临着能量转换效率低、充放电稳定性差和电流密度低等缺点,需开发可同时催化氧还原反应/析氧反应的高催化性能双功能催化剂。现有的双功能催化剂存在贵金属催化剂价格昂贵、非贵金属催化剂稳定性差和碳载体腐蚀严重等问题。综述了近年来双功能催化剂作为空气电极在可充电锌空气电池中的应用进展,包括金属-有机骨架基催化剂、无金属基碳催化剂、金属基催化剂,分析了它们的优缺点,提出了双功能催化剂的一些设计思路,最后对双功能催化剂未来的研究和应用方向进行了展望。
关键词
可充电锌空气电池
双功能催化剂
氧还原反应
析氧反应
Keywords
rechargeable Zn-air batteries
bifunctional catalyst
oxygen reduction reaction
oxygen evolution reaction
分类号
TQ426 [化学工程]
下载PDF
职称材料
题名
碱式磷酸氢钴双功能电催化剂及其在可充电锌-空气电池中的应用
2
作者
宋璐涛
吕斌
任磊
吴洋
练家乐
吕建国
机构
浙江大学材料科学与工程学院
出处
《材料科学与工程学报》
CAS
CSCD
北大核心
2023年第2期169-175,181,共8页
基金
浙江大学储能工程与新材料创新平台资助项目(K19-534202-002)。
文摘
具有高效和长循环的空气正极对构建高性能的可充电锌-空气电池(ZABs)至关重要。在此,首次采用水油两相水热合成方法,成功制备了一种双功能氧电催化剂Co_(3)(OH)_(2)(HPO_(4))_(2)(Co-OH-HPi)。研究表明:Co-OH-HPi电催化剂具有较大比表面积和Co(Ⅲ)活性位点,展示出优异的ORR/OER双功能电催化性能。将该材料作为空气正极组装成ZABs后,具有较小的双功能氧电催化剂电势间隙(ΔE=0.81 V),1.42 V的高开路电压,在10 mA·cm^(-2)电流密度下816 mAh·gZn^(-1)的大放电比容量和150 mW·cm^(-2)的高峰功率密度。该研究提供了一种新颖的策略来合成优异的双功能电催化剂并应用于先进的锌-空气电池。
关键词
碱式磷酸氢钴
水氧化反应
氧还原反应
可充电
锌
-
空气
电池
Keywords
Co_(3)(OH)_(2)(HPO_(4))_(2)
Oxygen evolution reaction
Oxygen reduction reaction
Rechargeable zinc-air battery
分类号
TM911.41 [电气工程—电力电子与电力传动]
下载PDF
职称材料
题名
富含吡啶氮-钴活性位点的三维多级大/介孔石墨烯作为高效可逆氧电催化剂用于可充电锌-空气电池
被引量:
1
3
作者
周省
覃佳艺
赵雪茹
杨静
机构
天津大学材料科学与工程学院新能源材料研究所
出处
《Chinese Journal of Catalysis》
SCIE
EI
CAS
CSCD
2021年第4期571-582,共12页
基金
国家自然科学基金(51572188,51822106).
文摘
随着能源危机的日益严峻,能源的储存和转换越来越受到人们的重视.目前人们加以开发和利用的清洁能源主要包括太阳能、风能、氢能、地热能以及电化学能等.其中,燃料电池和金属-空气电池等作为电化学器件为电化学能的开发及可持续利用提供了条件.特别是金属-空气电池以电极电位较负的金属如镁、铝、锌、铁等作负极,以空气中的氧或纯氧作正极,具有比能量高、性能稳定、价格便宜的特点.氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)是可再生电化学能量转换和储存过程中的两个关键电化学过程.贵金属(Pt/C,Ir/C,IrO_(2)等)虽然具有高催化活性,但价格昂贵、资源匮乏限制了其大规模的使用和发展.此外,它们的催化性能单一,难以同时实现多反应的高效催化.目前,大量研究工作集中在开发低成本、高效的ORR和OER催化剂,用来代替昂贵的铂类贵金属催化剂.在能源器件设计中,由于OER和ORR反应发生在同一个电极上,若能制备出具有ORR和OER双功能催化性能的电催化剂,将在很大程度上降低能源器件的设计难度.最近,我们的研究工作揭示了吡啶-氮-钴(pyri-N-Co)配位结构在协同作用中的重要性,协同作用大幅度提升了NiCo2O4/N掺杂石墨烯的本征催化活性.虽然金属粒子与掺氮石墨烯的结合有利于催化活性和稳定性的提高,但二维石墨烯片之间由于π-π键相互作用,容易聚集和堆叠.在实际应用中,石墨烯片之间的堆叠会导致可达表面的损失,从而使复合催化剂利用率降低,结构稳定性变差.因此,制备富含充分暴露且高效的ORR/OER活性中心的电催化剂仍然是一个巨大挑战.本文采用激光辐照法和水热法制备了具有层间大孔和片内介孔相互交联结构且负载铁酸钴纳米颗粒的三维多级孔石墨烯复合电催化剂(CoFe/3D-NLG),研究了其微观结构与ORR/OER电催化性能的关系.比表面积和X射线光电子能谱测试结果表明,CoFe/3D-NLG具有大的比表面积(322.6 m^(2) g^(-1))和孔体积(0.715 cm^(3) g^(-1)),并且富含吡啶氮-钴活性中心.电化学测试表明,对于OER电催化,CoFe/3D-NLG复合催化剂在10 mA cm_(-2)处的过电势为304 mV,优于商用RuO_(2)催化剂的322 mV;对于ORR电催化,CoFe/3D-NLG的半波电位达到872 mV,非常接近商用Pt/C催化剂(876 mV).此外,作为可充电锌空气电池的空气电极催化剂,CoFe/3D-NLG展现出了超高的开路电压(1.56 V)、高功率密度(213 mW cm_(-2))以及超低充放电电压(0.63 V),并且具有良好的充放电循环稳定性.CoFe/3D-NLG优异的ORR/OER电催化性能主要归因于以下两点:1)大量的吡啶氮-钴活性位点极大地加快了缓慢的氧电催化动力学,提高了每个活性位点的ORR/OER本征催化活性;2)丰富的层间大孔和面内介孔多级孔结构促进了整个石墨烯结构中的高效传质,因而在电催化过程中吡啶氮-钴活性位点得以充分暴露于电解液中.
关键词
多级孔
复合催化剂
氧电催化
尖晶石氧化物
可充电
锌
-
空气
电池
Keywords
Hierarchical pores
Composite catalyst
Oxygen electrocatalysis
Spinel oxide
Rechargeable zinc-air battery
分类号
TQ426 [化学工程]
TM911.41 [电气工程—电力电子与电力传动]
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职称材料
题名
作者
出处
发文年
被引量
操作
1
可充电锌空气电池双功能催化剂的研究进展
张立波
刘中原
李一枫
计文希
《石油化工》
CAS
CSCD
北大核心
2024
0
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职称材料
2
碱式磷酸氢钴双功能电催化剂及其在可充电锌-空气电池中的应用
宋璐涛
吕斌
任磊
吴洋
练家乐
吕建国
《材料科学与工程学报》
CAS
CSCD
北大核心
2023
0
下载PDF
职称材料
3
富含吡啶氮-钴活性位点的三维多级大/介孔石墨烯作为高效可逆氧电催化剂用于可充电锌-空气电池
周省
覃佳艺
赵雪茹
杨静
《Chinese Journal of Catalysis》
SCIE
EI
CAS
CSCD
2021
1
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职称材料
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