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Joule(IF:39.8):电化学新突破-50毫秒1400℃热退火延长电极寿命10倍

已有 673 次阅读 2024-4-30 15:02 |个人分类:化学|系统分类:科研笔记

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2020年,马里兰大学胡良兵教授课题组在《Joule》上发表了题为“A General Method for Regenerating Catalytic Electrodes”的论文,提出了一种高温脉冲退火方法,实现了催化电极的再生,能重复再生多达10次

【总结】

(1)高温脉冲退火技术:该方法通过使用焦耳加热元件对使用过的催化电极进行快速升温至约1700K,并在50毫秒左右内冷却至室温。这种快速加热和冷却过程有助于完整分解电极表面的副产物,同时保留电极的原始物理化学性质。

(2)非破坏性再生过程:与传统的催化电极回收方法(如热金属提取和湿化学处理)相比,该方法为非破坏性,允许催化电极直接重复使用,无需通过复杂的化学处理步骤。

(3)适用性广泛:该再生方法不限于特定的电极材料,已在多种含碳和金属基底的催化电极上成功应用,如文中提到的锂空气电池中的Ru负载电极。

(4)延长电极和电池的使用寿命:使用该再生技术,催化电极可以重复再生多达10次,每次都能有效恢复其性能,显著延长了电极和电池的使用寿命(从约200小时延长到约2000小时)。

(5)环境友好与成本效益:通过减少需要处理的废电极和减少贵金属的需求,该方法有助于降低电池回收和制造的环境影响及成本。

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图1. 再生过程的示意图

【研究背景】

(1)催化电极在电化学设备如燃料电池、电解器、电池等中扮演核心角色,促进反应的进行。然而,长时间运行会导致电极表面积聚副产物,影响电极性能。

(2)尽管催化活性的研究一直是科研的焦点,催化电极的回收和再生技术发展却相对滞后。传统的回收方法如热金属提取和湿化学处理通常只能回收特定金属,同时破坏电极的其他部分。

(3)现有的催化电极再生方法多依赖于化学处理或热处理,这些方法通常破坏电极的物理结构或化学性质,不能直接再用。因此,开发一种有效、非破坏性的催化电极再生方法成为急需解决的问题。

(4)并且,随着全球对可持续发展和资源效率的重视增加,开发能够提高电化学设备寿命并减少废物的技术显得尤为重要。

【研究方法】

(1)高温脉冲退火技术:研究团队设计了一种特殊的焦耳加热设备,用于对使用过的催化电极进行高温脉冲退火。通过向碳基加热元件施加单一电脉冲,迅速将温度升至约1700K,并在毫秒级时间内冷却至室温。

(2)非破坏性再生过程:这一过程能够在不损害电极原有物理化学性质的前提下,去除电极表面积累的副产品,实现催化电极的直接重用。

(3)多次再生测试:使用锂空气电池作为模型系统,研究团队演示了如何通过该退火技术对Ru(钌)负载电极进行重复再生,并测试了电极的性能恢复情况。电极能够在每次电池循环操作后进行多达10次的再生,有效延长电极和电池的使用寿命。

(4)表征技术的应用:为了评估再生效果,研究团队利用多种表征技术,包括X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)、拉曼光谱、透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)等,分析了电极的表面和催化剂的结构与化学性质。

(5)效果评估与优化:通过对比再生前后的电化学性能、电极表面结构以及催化剂的分布和尺寸,研究团队详细评估了再生过程的效果,并对操作条件如电脉冲的持续时间和峰值温度进行了优化,以确保最佳再生效果。

【研究结果】

(1)高温脉冲退火的效果:实验结果表明,使用高温脉冲退火技术可以有效去除催化电极表面的副产品,如碳酸锂(Li₂CO₃)和有机锂盐(例如锂甲酸盐和锂乙酸盐)。这种方法能够在不损害电极原有结构和性能的前提下,恢复其原始的物理化学性质。

(2)电极性能恢复:经过再生处理的电极能够恢复其在锂空气电池中的电化学性能,包括过电位和容量。再生后的电极显示出与原始电极相似的电化学行为,证明了再生方法的有效性。

(3)电极寿命延长:通过重复再生过程,锂空气电池中使用的Ru-loaded电极的使用寿命显著延长。具体来说,一个电极能够支持多达10次的再生,每次再生后,电池的性能均能得到恢复,从而将电池的总寿命从约200小时延长到约2000小时。

(4)再生方法的普适性:研究还测试了这种再生技术在其他类型电极材料上的应用,例如钛网支撑的铂纳米粒子电极,证明了该技术的普适性和可扩展性。这表明高温脉冲退火可以作为一种通用方法,适用于多种电化学系统中的催化电极再生。

(5)环境与经济效益:这种非破坏性的再生方法提供了一种环境友好且成本效益高的解决方案,用于管理和再利用电化学设备中的催化电极,有助于减少电子废物和贵金属的需求。

【展望】

根据研究内容和结果,可以推测一些可能的后续研究方向:

(1)优化再生过程参数:调整脉冲退火过程中的温度、时间和电流参数,以达到更优的再生效果和更高的能效。这可能包括对不同类型和尺寸的电极进行参数化研究,以找到最佳的再生条件。

(2)扩展到其他电化学系统:虽然当前的研究集中在锂空气电池上,但该技术的潜力适用于其他类型的电化学存储和转换设备,如锂离子电池、燃料电池和超级电容器。后续研究可以探索这些系统中催化电极的再生潜力。

(3)长期稳定性和循环性能评估:进行长期的循环测试,以评估再生电极在连续多次使用后的稳定性和可靠性。这包括研究电极材料的老化机制和失效模式。

(4)环境和经济影响分析:评估该再生技术的环境足迹,包括能源消耗和可能的环境排放。进行成本效益分析,以确定其商业化潜力和在大规模生产中的经济可行性。

(5)与现有回收技术的集成:探索如何将这种高温脉冲退火技术与现有的电池回收流程结合,以提高回收率和资源的再利用效率。

(6)材料科学的进一步研究:深入研究在高温脉冲退火过程中电极材料的微观结构变化,以及这些变化如何影响电极的电化学性能。这可能包括使用先进的表征技术,如同步辐射X射线技术和原子力显微镜等。

(7)理论和模拟研究:使用计算化学方法和模拟技术来理解高温脉冲退火对催化电极表面和催化活性的具体影响,从而为实验提供理论支持和指导。

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总经理:高丽竹 18610000351(微信同号)

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https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.08.008



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