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          科研成果

          我院劉颯博士近期研究進展

          發布者:邢蓓蓓發布時間:2020-03-16瀏覽次數:10

          本課題組多年來一直從事燃料電池、金屬-空氣電池及其關鍵材料(電催化劑和電解質隔膜)的研究工作。近年來,主要集中在非貴金屬電催化劑(主要是過渡金屬/氮共摻雜碳材料,即M-N-C)方面開展了系列的工作。已在J . Mater. Chem. A、ACS Appl. Mater. Inter.、J. Power Sources、Electrochim. Acta、Int. J. Hydrogen Energ.SCI/EI期刊上發表研究論文20余篇,申請國家發明專利13件,其中已授權3件。主持國家自然科學基金青年項目一項。

          近期具體研究成果如下:

          1. 氮摻雜碳封裝過渡金屬化合物電催化劑的構筑

          由于不同組分間的協同耦合作用,石墨碳封裝過渡金屬或其化合物核殼型電催化劑表現出優異的氧還原(ORR)和析氧反應(OER)催化活性?;诖?,本課題組基于固相熱解反應或者氣相沉積等方法制備出了多種形貌的碳封裝過渡金屬復合材料,如封裝Fe及其化合物的竹節狀碳納米管(J. Alloy. Compd., 828(2020) 154435),封裝FeCo合金的碳納米管/石墨片復合材料(J. Power Sources, 449(2020) 227512)以及封裝Co納米顆粒的“電纜型“復合材料(Electrocatalysis, 10 (2019) 277-286)。

            

          1.竹節狀碳納米管封裝鐵及其化合物的復合型電催化劑

          2.  具有多級孔結構的M-N-C電催化劑的合成

          理想的電催化劑除了應具有高效的催化活性中心來促進完成整個電催化過程之外,還必須使得這些活性位點和反應物容易接觸從而完成電催化過程。因此,應提高M-N-C材料的比表面積以增大活性位點的分布密度,同時建立有效的氣液傳質通道來利于三相界面的構建?;诖?,本課題組采用不同的模板法制備出系列具有多級孔結構及高比表面的M-N-C電催化劑,如離子凝膠模板(Electrochim. Acta, 265 (2018) 221-231)、NaCl模板(Int. J. Hydrogen Energ., 43 (2018) 5163-5174)以及碳載體模板(Electrocatalysis, 10 (2019) 72–81; Int. J. Hydrogen Energ., 43 (2018) 16230 -16239)。

          2.不同模板法合成M-N-C電催化劑示意圖

          3.  MOFs衍生M-N-C電催化劑的合成

                  MOFs因其自身具有豐富的金屬元素、雜原子和碳元素以及豐富的孔道結構,使之成為構筑M-N-C納米電極材料的理想組成與結構前驅體。本課題組結合一維碳納米管優異的導電性及ZIF-67豐富的Co/N含量,通過原位生長法先合成碳納米管交聯的ZIF-67前驅體,再經一步高溫碳化可得到具有優異ORR/OER雙催化功能Co/CoOx@NC-CNTs催化劑(Electrochim. Acta, 292 (2018) 707-717);此外,本科組還以ZIF-8為自模板及錨定劑合成制備了竹節狀碳納米管封裝鐵及其化合物的復合型電催化劑(J. Alloy. Compd., 828(2020) 154435)。

          3. 碳納米管/ZIF-67衍生Co/CoOx@NC-CNTs催化劑制備示意圖

          4.  -空氣電池研究

                由于具有高理論能量密度(1084 Wh kgZn-16136 Wh L-1)、獨特的半封閉式系統、平穩的放電電壓以及使用壽命長等優點,鋅-空氣電池被廣泛認為是最有前途的儲能裝置之一。近年來,本科組以上述合成的系列材料為空氣電極催化劑組裝液相及柔性鋅-空氣電池(J. Alloy. Compd., 828(2020) 154435; J. Power Sources, 449(2020) 227512; Int. J. Hydrogen Energ., 45(2020) 9512-9521; Electrocatalysis, 10 (2019) 277-286),目前鋅-空氣電池功率密度最大可達到200 mW cm-2,循環壽命>100小時。

          4. 二次鋅-空氣電池及柔性電池性能結果圖

          致謝:

          1. 國家自然科學基金青年項目(21506086);

          2. 朱平副教授,趙新生教授,楊崢、陳曉文、高京夏等研究生及本科生。