高效果充電機(jī)充電鋅空電池中的三維蛤形雙功用陰極催化劑使用
2017-8-28 9:24:13??????點(diǎn)擊：
【導(dǎo)言】
隨著人們對動力需求的急劇增加導(dǎo)致了化石燃料敏捷消耗，然后引發(fā)了環(huán)境問題的迸發(fā)。研討與開展清潔和可繼續(xù)動力存儲與變換體系成為了當(dāng)今不行避免的課題?，F(xiàn)在，在不同能量存儲和變換類型中，可充電充電機(jī)充電鋅空電池因?yàn)槌杀镜?、環(huán)境友好、安全功用高、比能量密度高級優(yōu)勢引起了人們的廣泛重視，在未來動力使用領(lǐng)域起著不行短少的效果。然而關(guān)于可充電充電機(jī)充電鋅空電池而言，最大的難題是開發(fā)高效廉價(jià)的非貴金屬雙功用催化劑，以進(jìn)步氧氣在氧復(fù)原以及氧分出反響進(jìn)程中緩慢的動力學(xué)，然后進(jìn)一步進(jìn)步電池的充放電功率，削減能量損耗。碳載金屬氧化物復(fù)合資料因?yàn)榫哂薪艹龅难鯊?fù)原或氧分出反響活性被人們廣泛研討。其間MnOX因?yàn)榫哂胸S厚的氧化態(tài)以及共同的化學(xué)組成與晶型結(jié)構(gòu)成為公認(rèn)的氧復(fù)原催化劑。此外，作為過渡金屬的Ni、Co與MnOX的復(fù)合資料現(xiàn)已被廣泛報(bào)道為高功用雙功用催化劑。而碳載過渡金屬Fe與MnOX的復(fù)合資料卻很少有人重視。因而怎么制備作為高活性與高穩(wěn)定性的碳載鐵錳氧化物雙功用催化劑依然存在應(yīng)戰(zhàn)。
【效果簡介】
近來，東華大學(xué)環(huán)境學(xué)院喬錦麗教授課題組在Science Bulletin上宣布題為“A novel composite (FMC) to serve as a durable 3D-clam-shaped bifunctional cathode catalyst for both primary and rechargeable zinc-air batteries.”的文章，研討經(jīng)過兩步水熱組成及高溫焙燒法分別規(guī)劃、組成了鐵-錳-碳基（FMC）系列催化劑。該催化劑呈現(xiàn)出共同的描摹——三維蛤形，具有較大的比外表積。經(jīng)過改動不同的焙燒時(shí)刻制備出不同描摹和活性的FMC-x催化劑，并使用線性伏安法掃描、突變電流發(fā)電、長期恒流放電以及恒流充放電等辦法對催化劑活性和鋅空一次以及二次電池功用進(jìn)行測驗(yàn)，選用掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）、X-射線衍射（XRD）、物理吸脫附比外表積（BET）等物理光譜表征辦法對催化劑的微觀描摹結(jié)構(gòu)、催化劑的外表組成成分及催化劑的比外表積進(jìn)行表征。一起，其間FMC-3的催化活性以及雙功用功用顯著優(yōu)于貴金屬催化劑、同類型的其他催化劑以及催化劑單體。開路電壓(OCV)到達(dá)1.48V，功率密度到達(dá)349 mW cm-2，遠(yuǎn)優(yōu)于20% Pt/C催化劑的118 mW cm-2，一起取得比容量密度780 mAh g-1。此外，在多種充放電條件下亦表現(xiàn)出優(yōu)異的充放電穩(wěn)定性，而且結(jié)合物理表征技能剖析催化劑電化學(xué)測驗(yàn)前后描摹的改動，經(jīng)過制備其它單體催化劑以及改動熱處理?xiàng)l件，剖析了三元催化劑的構(gòu)成進(jìn)程及催化機(jī)制。
【圖文導(dǎo)讀】
圖. 催化劑制備進(jìn)程及其在充電機(jī)充電鋅空電池中的使用示意圖
（a）催化劑的組成工程；
（b）催化劑在充電機(jī)充電鋅空電池中使用
2. 催化劑的SEM圖
（a-c）MnO2催化劑的SEM圖；
（d-f）FMC-3的SEM圖
3. 催化劑的TEM圖
（a-c）FMC-3的TEM圖；
（d）FMC-3的HRTEM圖及FFT圖
4. 催化劑的XRD及EDS的剖析
（a-b）催化劑的XRD圖；
（c）FMC-3的EDS圖；
（d）FMC-3催化劑的元素比例圖
5. 催化劑的氧復(fù)原以及氧分出功用
-b）不同催化劑的線性掃描圖；
（c）FMC-3的電化學(xué)穩(wěn)定性測驗(yàn)圖；
（d）FMC-3催化劑在不同轉(zhuǎn)速下的線性掃描圖，插圖為電子搬運(yùn)圖
6. 催化劑在一次充電機(jī)充電鋅空電池中的使用及功用
（a）一次充電機(jī)充電鋅空電池示意圖；
（b）不同催化劑的極化曲線與功率密度圖；
（c）FMC-3催化劑極化曲線與功率密度穩(wěn)定性圖；
（d）長期恒流放電圖；
（e）比容量密度圖；
（f）庫侖功率圖
7. 催化劑在可充式充電機(jī)充電鋅空電池中的使用及功用
（a）可充式充電機(jī)充電鋅空電池示意圖；
（b）不同催化劑的充放電極化曲線圖;
（c）不同催化劑的充放電圖，循環(huán)條件為電流密度30mAcm-2，充放電時(shí)刻1小時(shí); FMC-3催化劑的充放電圖，
（d）循環(huán)條件為電流密度20mAcm-2，充放電時(shí)刻10分鐘;
（e）循環(huán)條件為電流密度100mAcm-2，充放電時(shí)刻4小時(shí);
（f）循環(huán)條件為電流密度60mAcm-2，充電1小時(shí)；電流密度15mAcm-2，放電4小時(shí)
【小結(jié)】
怎么開發(fā)高效廉價(jià)的非貴金屬雙功用催化劑關(guān)于充電機(jī)充電鋅空電池而言一直是應(yīng)戰(zhàn)性難題。東華大學(xué)喬錦麗教授課題組經(jīng)過溫文的水熱法制備出高活性的FMC系列催化劑，該催化劑呈現(xiàn)出共同的描摹——三維蛤形，具有較大的比外表積。該催化劑展現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性、穩(wěn)定性以及杰出的電池功用， FMC-3的催化活性以及雙功用功用顯著優(yōu)于貴金屬催化劑、同類型的其他催化劑以及催化劑單體。開路電壓(OCV)到達(dá)1.48V，功率密度到達(dá)349 mW cm-2，遠(yuǎn)優(yōu)于20% Pt/C催化劑的118 mW cm-2，一起比容量密度高達(dá)780 mAh g-1。
【稱謝】
上述研討得到了國家天然科學(xué)基金(U1510120)、上海市世界合作學(xué)術(shù)交流項(xiàng)目(14520721900)、外國專家局高校要點(diǎn)引智項(xiàng)目、東華大學(xué)研討生立異基金(EG2017031和EG2016034)以及東華大學(xué)纖維改性國家要點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和國家環(huán)境保護(hù)紡織工業(yè)污染防治工程技能中心等的支撐。
【通訊作者簡介】
喬錦麗，東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師、先進(jìn)電化學(xué)動力環(huán)境學(xué)科帶頭人。結(jié)業(yè)于日本國立山口大學(xué)大學(xué)院理工學(xué)研討科物質(zhì)工學(xué)獲博士學(xué)位，后就任日本工業(yè)技能綜合研討所(National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, AIST）研討員。2008年當(dāng)選上海市“浦江人才”支撐方案。擔(dān)任世界電化學(xué)動力科學(xué)院(IAOEES) 副主席兼理事，我國硅酸鹽學(xué)會固態(tài)離子學(xué)分會理事會理事，我國膜工業(yè)協(xié)會電驅(qū)動膜專家委員，上海市歐美協(xié)會理事。Electrochemical Energy Review雜志副主編，Green Energy & Environment和Frontiers in Energy Researh雜志編委，Applied Energy, Electrochim. Acta及Int. J. Hygrogen Energy 特邀修改，世界著名學(xué)術(shù)出版社CRC Press審理人。擔(dān)任英國工程和天然科學(xué)研討委員會（EPSRC）2016-2020五年方案嚴(yán)重世界合作項(xiàng)目"Liquid Fuel and bioenergy Supply from CO2 Reduction"中方專家組成員。榮獲2013/2014年上海市優(yōu)異學(xué)位碩士生論文導(dǎo)師3篇，2014年上海市“育才獎”，2015年東華大學(xué)“三八紅旗手”，東華大學(xué)“五四”青年標(biāo)兵團(tuán)體稱謂，2016年東華大學(xué)“先進(jìn)電化學(xué)動力特征團(tuán)支部”，2011-2017年度東華大學(xué)先進(jìn)安全辦理演示研討室以及先進(jìn)個人等稱謂。先后主持國家天然科學(xué)基金、國家天然科學(xué)基金嚴(yán)重基金、留學(xué)人員歸國基金、教育部博士導(dǎo)師基金、上海市教委立異項(xiàng)目、上海市科委世界合作項(xiàng)、高端別傳引智項(xiàng)目等10多項(xiàng)。以榜首作者/通訊作者宣布包含Chem. Soc., Rev. Adv. Energy Mater, Sci. Rep., Green Chem., J. Catalysis, Appl. Catalysis B: Environ., J. Mater. Chem., J. Power Sources, Appl. Energy, Electrochim. Acta., Electrochem. Commun.等SCI論文100多篇，請求/授權(quán)日本和我國發(fā)明專利30多項(xiàng)。編撰和編著世界電化學(xué)動力系列專著包含《Electrochemical Reduction of Carbon Dioxide: Fundamentals and Technologies》,《Electrolytes for Electrochemical Supercapacitors》,《Electrochemical Polymer Electrolyte Membranes》, 《Graphene: Theory, Synthesis, and Energy Applications》, 《Hydrocarbon Polymer Electrolytes for Fuel Cell Applications》等4部/8章節(jié)。美國化學(xué)會、美國電化學(xué)會、世界電化學(xué)會、世界電化學(xué)動力科學(xué)院以及我國化學(xué)會、我國化工學(xué)會及氫能學(xué)會等會員。首要研討領(lǐng)域：燃料電池、金屬-空氣電池、CO2電化學(xué)復(fù)原、超級電容器以及環(huán)境難降解有機(jī)廢水的電化學(xué)處理技能。一起熱忱歡迎對電化學(xué)、電催化和動力資料研討感興趣的優(yōu)異學(xué)生報(bào)考東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院喬錦麗教授先進(jìn)電化學(xué)動力與環(huán)境資料/器材研討室攻讀碩士和博士學(xué)位。
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