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Carbon Energy:多活性位点的空心碳球用于能量转换与存储

已有 676 次阅读 2019-12-5 14:06 |系统分类:论文交流

研究背景

随着不断增长的能源需求和日益突出的环境问题,寻找低成本、高效率、高稳定性和环境友好的能源存储与转换系统成为科学家的迫切任务。锂离子电池(Lithium‐ion batteries,LIBs)和水电解装置由于具有高稳定性、环境友好等优点,因此被广泛研究。然而,随着电动汽车行业的快速发展,目前采用的石墨阳极材料已经不能满足高能量密度和高功率密度的要求。此外在水的分解过程中,所发生的电催化产氧过程(Oxygen evolution reaction,OER)涉及四电子耦合过程,其具有动力学慢,过电位大的特点。

由于过渡金属氧化物(Transition metal oxides,TMOs)具有高能量/功率密度和良好的催化活性,因此在能源储存和转换方面具有很大的应用前景。在所研究的TMOs中,氧化镍(NiO)及其衍生物是地球含量丰富、成本低、容量高的锂离子电池材料,并且碱性条件下的催化性能和电催化产氧中的耐腐性能都非常优异。然而,由于NiO基材料的电子/离子导电性能差,这大大制约了电池性能的进一步提高,这也导致OER电极活性低和LIBs较差的倍率性能。此外,在LIBs的充放电过程中NiO材料体积膨胀较大,同时OER中其活性位点较少,这大大阻碍了NiO电极的发展。

为了解决上述问题,科学家发展了多种技术去增加NiO材料的活性位点和调节其电化学稳定性。其中,一种方法是将NiO与碳质材料、导电聚合物和金属材料等结合,从而增加块体材料的电导率,并抑制体积变化和提高催化活性。另一种策略是构建具有高比表面积的NiO材料(如一维(1D)纳米棒,2D纳米薄片和3D纳米球形),这可以增加活性位点,从而改善电子-物质的界面传递。此外,空缺可以有效地调整材料的电子结构和电导率,并创造新的活性位点。

新加坡南洋理工大学Li Hong教授课题组利用简单的水热合成技术合成了NiO修饰的三维中空碳纳米球,并证实该材料可以做为双功能电极材料用于LIBs和OER反应。相关论文以“Rambutan‐like hollow carbon spheres decorated withvacancy‐rich nickel oxide for energy conversion and storage”为题发表于《Carbon Energy》(DOI:10.1002/cey2.16)上。


成果简介

NiO修饰碳纳米球复合材料(h‐NiO/C)的合成过程如图1所示:首先,空心结构的前驱体是采用简单的水热法制备;然后在320 ℃的Ar氛围下将前驱体焙烧2小时(升温速率为每分钟2°C),最终制备得到最终产物(2 nm NiO纳米粒子修饰的碳纳米片组成的中空球)。

图1:h‐NiO/C制备过程示意图。所制备的h‐NiO/C复合材料具有丰富的氧空位


h‐NiO/C层状结构具有以下特点:(1)NiO丰富了活性位点,缩短了Li+/电子的传递,有利于电化学性能提升;(2)碳纳米片可以抑制活性物质的聚集,从而改善电极结构稳定,还可以优化电极的导电性;(3)充足的氧空位提供更多的催化活性位点,促进OER动力学;(4)空心层状结构有利于Li+/OH−以及气体的扩散,减小了极化效应。

图2:(A)XRD图谱(B) BET比表面积 (C) h‐NiO/C样品的XPS光谱 (D‐F) Ni 2p、O 1s和C 1s的高分辨率XPS光谱。


由中空h‐NiO/C构成的电极具有高的稳定性和倍率性能,从而具有优越的OER电催化性能。经过400次循环后,h-NiO/C电极依旧在LIBs中显示了较高的容量(817mAhg−1);经过600次循环后,在10 ag−1时的容量为523 mAhg−1仍具有较高的反应速率。此外OER的电催化测试表明,在10ma cm−2处低的过电位(260 mV)和Tafel斜率(37.6 mV dec−1)也证实电极性能优异。该研究工作通过形态调控增强电化学性能,增加电催化活性的空缺位点,为高效率LIBs和OER的电极制造提供了一种有效的研究思路。

图3:(A) 电化学OER性能。CV曲线(B)以及CV曲线相应的过电位(C)和 Tafel斜率(D)。(E) h‐NiO和h‐NiO/C的双层电容测量和加速寿命试验结果。(F)10 mA时h‐NiO/C的时间电位曲线。


文章链接

Rambutan‐like hollow carbon spheres decorated withvacancy‐rich nickel oxide for energy conversion and storage

Zixu Sun,Xinghui Wang, Hu Zhao, See W. Koh, Junyu Ge, Yunxing Zhao, Pingqi Gao, Guangjin Wang, Hong Li

DOI:10.1002/cey2.16

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cey2.16


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