近日,中國石油大學(xué)(華東)在新型電化學(xué)儲能技術(shù)(鋅空電池和鋁基離子電池)研究方面取得系列進展,研究成果分別發(fā)表在Nano Research,Science China Materials,Chemical Communciation,Electrochimica Acta四個化學(xué)類和材料類期刊。多價金屬基離子電池、金屬-空氣電池等高效、低成本新型電化學(xué)儲能技術(shù)的開發(fā)是解決傳統(tǒng)石化資源過量消耗而造成的能源短缺、環(huán)境污染等問題的有效舉措。其中,由于金屬鋅和鋁具有儲量豐富、比能量高、成本低和安全穩(wěn)定等其他金屬材料無可比擬的優(yōu)勢,因此可充電鋁基離子電池、鋅-空氣電池和鋁-空氣電池儲能技術(shù)受到廣泛關(guān)注。鑒于此,以閻子峰教授領(lǐng)銜的催化材料課題組分別針對鋅/鋁-空氣電池中電極反應(yīng)催化劑成本高、效率低、穩(wěn)定性差等問題以及鋁基離子電池正極材料種類匱乏、儲能性能差等缺點,設(shè)計合成了一系列納米材料,有效改善了上述不足,提高了電池綜合性能。
題目為《多級牡丹狀高活性、高導(dǎo)電FeCo-NC催化劑的制備及其可充電鋅空氣電池應(yīng)用》(Hierarchical peony-like FeCo-NC with conductive network and highly active sites as efficient electrocatalyst for rechargeable Zn-air battery)和《超小NiFe水滑石耦合單原子FeCo-NC納米花用于可充電鋅空氣電池》(Ultrasmall NiFe layered double hydroxide strongly coupled on atomically dispersed FeCo-NC nanoflowers as efficient bifunctional catalyst for rechargeable Zn-air battery)的研究論文分別發(fā)表在材料領(lǐng)域知名期刊Nano Research(DOI information:: 10.1007/s12274-020-2751-7)和Science China Materials(DOI information:: 10.1007/s40843-020-1276-8)。博士生王一棪為兩篇論文第一作者,閻子峰教授和張國新教授為共同通訊作者。中國石油大學(xué)(華東)為第一署名單位,兩項工作均得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃專項、山東自然科學(xué)基金、山東省重點研發(fā)計劃以及研究生創(chuàng)新工程項目資助。近年來,隨著納米催化的發(fā)展和表征技術(shù)的進步,多級結(jié)構(gòu)化的金屬原子級分散碳基催化材料由于其不同于傳統(tǒng)納米催化劑的活性、選擇性和穩(wěn)定性,在能量儲存和轉(zhuǎn)換領(lǐng)域展現(xiàn)出極高的研究和應(yīng)用價值。上述工作設(shè)計制備了一系列高分散過渡金屬/氮共摻雜碳材料FeCo-NC,并在此基礎(chǔ)上針對鋅空氣電池電極催化材料的應(yīng)用進行優(yōu)化改性,制得材料具有豐富的多級孔結(jié)構(gòu)和高密度活性位點,表現(xiàn)出優(yōu)秀的氧還原和氧析出反應(yīng)催化性能,并作為電極催化材料在組裝的鋅-空氣電池中展現(xiàn)出較小的充放電電壓差和持久的循環(huán)穩(wěn)定性,同時在全固態(tài)柔性鋅-空氣電池中也有優(yōu)良表現(xiàn),為設(shè)計和開發(fā)性能優(yōu)異的應(yīng)用于鋅-空氣電池的低成本電極催化材料提供指導(dǎo)意義。
題目為《犧牲碳-氮模板制備中空FeCo-NC材料用于高效氧還原反應(yīng)和鋁空氣電池》(Sacrificial carbon nitride-templated hollow FeCo-NC material for highly efficient oxygen reduction reaction and Al-air battery)的研究論文發(fā)表在電化學(xué)領(lǐng)域?qū)I(yè)期刊Electrochimica Acta (DOI information: 10.1016/j.electacta.2020.136066)。碩士生王玉為該論文第一作者,張穎副教授和張國新教授為共同通訊作者,中國石油大學(xué)(華東)為第一署名單位,該項工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃專項、山東自然科學(xué)基金、山東省重點研發(fā)計劃以及研究生創(chuàng)新工程項目資助。中空碳納米材料集碳材料、納米材料和獨特的空間結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢于一身,呈現(xiàn)出特殊的光、電催化性質(zhì),然而傳統(tǒng)固相模板需要額外去除模板,步驟復(fù)雜。該項工作開發(fā)了一種無需后續(xù)處理,通過犧牲甲酰胺碳化得到的氮化碳模板(f-NC),一步法實現(xiàn)了空心碳質(zhì)結(jié)構(gòu)f-NC@FeCo-NC材料的有效構(gòu)建,同時氧化態(tài)的Fe和Co在高氮摻雜(~13.2 at.%)的碳材料中也實現(xiàn)了高分散分布。電化學(xué)測試結(jié)果表明,f-NC@FeCo-NC在堿性介質(zhì)中表現(xiàn)出高效的氧還原反應(yīng)性能,與未加f-NC的FeCo-NC相比,起始電位和半波電位分別提高至1.01和0.89 V,當(dāng)作為鋁-空氣電池的陰極材料時,具有1.91 V的高開路電壓和241 mW cm-2的高峰值功率密度,表現(xiàn)出優(yōu)異的電池性能。這種犧牲f-NC的方法也為相關(guān)空心結(jié)構(gòu)碳基材料的制備提供了參考價值。
題目為《高品質(zhì)粉化石墨納米薄片用于鋁離子電池正極材料》(Small graphite nanoflakes as an advanced cathode material for aluminum ion batteries)的研究論文發(fā)表在化學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊Chemical Communications (DOI information: 10.1039/c9cc06895c)。碩士生胡浩宇和博士生蔡同輝為該論文第一作者,邢偉教授為通訊作者,中國石油大學(xué)(華東)為第一署名單位,該項工作得到國家自然科學(xué)基金、山東省泰山學(xué)者基金和山東省自然科學(xué)基金重大項目的資助?;谝酝芯炕A(chǔ),(Energy & Environmental Science,2018, 11(9): 2341-2347.;Journal of Power Sources, 2018, 401, 6-12.),該項工作開發(fā)了一種高品質(zhì)粉化石墨納米薄片的制備方法,通過預(yù)鋰化插層和浸水脫鋰的方法成功制備了片層尺寸小和石墨層數(shù)少的高品質(zhì)無損粉化石墨納米薄片。通過增多[AlCl4]—的石墨斷面可嵌入活性位點,縮短[AlCl4]—在石墨晶間的擴散路徑,減小[AlCl4]—在石墨晶間的擴散阻力和提高石墨晶間活性位點的利用率,實現(xiàn)了天然石墨基正極材料比容量和倍率性能同步提高。其在1000 mA g-1的大電流密度下容量可達到107 mAh g-1。該工作為鋁基離子電池的石墨類正極材料的容量提高和倍率性能增強提供了新的設(shè)計思路。
題目為《基于層狀雙金屬氫氧化物的Ni-Co復(fù)合金屬硫化物用于鋁離子電池正極材料》(Layered double hydroxides derived NiCo-sulfide as a cathode material for aluminum ion batteries)的研究論文發(fā)表在電化學(xué)領(lǐng)域?qū)I(yè)期刊Electrochimica Acta (DOI information:10.1016/j.electacta.2020.136174)。我校邢偉教授、碩士生李曉晨和博士生蔡同輝為該論文共同第一作者,邢偉教授為通訊作者,中國石油大學(xué)(華東)為第一署名單位,該項合作研究成果得到國家創(chuàng)新型人才國際合作培養(yǎng)項目資助。該項工作以鎳鈷雙金屬氫氧化物為前驅(qū)體制備合成了Ni-Co復(fù)合金屬硫化物正極材料,提出了基于Al3+進入復(fù)合金屬硫化物晶相內(nèi)發(fā)生可逆的轉(zhuǎn)化反應(yīng)生成AlmNinS和AlpCoqS4反應(yīng)產(chǎn)物的儲能機制。同時,通過引入還原石墨烯(rGO)包覆層合成S-NiCo@rGO有效緩解了Ni-Co復(fù)合金屬硫化物類正極材料容量衰減問題。研究發(fā)現(xiàn)了S-NiCo@rGO正極材料中rGO包覆層能顯著提高復(fù)合金屬硫化物材料的導(dǎo)電性并有效抑制電極材料的粉化等問題,進而解決了正極材料循環(huán)性能不佳的難題。
該課題組主要從事吸附與催化新材料、烴類催化轉(zhuǎn)化、固體表面化學(xué)、納米儲能材料與應(yīng)用等領(lǐng)域的研究。近五年來,在催化和儲能材料方向承擔(dān)了包括國家重點研發(fā)項目、國家自然科學(xué)基金重點項目、山東省自然科學(xué)杰出青年基金、山東省自然科學(xué)重大基礎(chǔ)研究項目、山東省泰山學(xué)者青年專家計劃等項目,在Energy & Environmental Science、Coordination Chemistry Reviews、Nano Today、Nano Energy等知名國際期刊發(fā)表多篇論文,參與申報的研究成果獲山東省自然科學(xué)獎一等獎、教育部自然科學(xué)獎二等獎等獎勵。
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