近日,北京大學(xué)深圳研究生院的潘鋒教授團隊通過合成一種Ni摻雜的α-MnO2,運用實驗和密度泛函理論(DFT)計算相結(jié)合,發(fā)現(xiàn)調(diào)控結(jié)構(gòu)可以提升質(zhì)子(H+)傳輸(基于Grotthuss質(zhì)子傳輸機理)速率,提高氫離子和鋅離子嵌入量,提升水系Zn-MnO2二次電池的能量密度。該成果近期以“Boosting the Energy Density of Aqueous Batteries via Facile Grotthuss Proton Transport”為題,在線發(fā)表在化學(xué)領(lǐng)域國際頂級期刊《德國應(yīng)用化學(xué)》(Angewandte Chemie,2020,doi.org/10.1002/ange.202011588)上。
Grotthuss傳輸原理以及TO畸變?nèi)绾未龠MH+的傳輸
研究團隊發(fā)現(xiàn)MnO2在放電過程中存在四方/正交(tetragonal/orthorhombic, TO)畸變,這種畸變極大程度降低了放電時α-MnO2的[2×2]孔道內(nèi)相鄰Mn-O鍵之間的距離,從而促進了質(zhì)子在孔道內(nèi)的Grotthuss傳輸。同時,Ni摻雜也會促進TO這一畸變,進一步提高了Ni摻雜的α-MnO2的擴散動力學(xué)。由于與質(zhì)子的直接躍遷相比,基于Grotthuss機制進行擴散傳輸會極大降低質(zhì)子遷移的擴散勢壘,因此這種擴散機制能顯著改善質(zhì)子的傳輸動力學(xué),并允許質(zhì)子快速進入α-MnO2晶格中的氧化還原位點。該基于TO畸變的H+的Grotthuss擴散機制不僅在Zn-MnO2電池領(lǐng)域,在其他所有涉及H+傳輸?shù)念I(lǐng)域都有廣泛的借鑒意義。在可見的未來,隨著大規(guī)模儲能領(lǐng)域的進一步發(fā)展,這種基于Grotthuss擴散機制的水系Zn-MnO2二次電池會表現(xiàn)出極高的應(yīng)用價值。
趙慶賀博士、碩士生宋奧野和工程師趙文光為文章共同第一作者,通訊作者為李舜寧博士和潘鋒。該工作得到了國家材料基因工程重點研發(fā)計劃、廣東省自然科學(xué)基金項目的大力支持。
參考資料
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