氮掺杂Co3O4介孔纳米线阵列作为柔性固态锌空电池高效阴极材料的新进展发表于《Adv. Mater.》

对柔性能源装置的需求促使了便携式、可穿戴电子器件的研发。在近年来开发的各种能源装置中,锌空电池(Zinc-Air Batteries)一直备受人们关注。锌空电池是一种半封闭型的能量转换装置,利用单质锌(阳极)与空气中的氧气(阴极)之间的氧化还原反应产生电能。最近两年,研究人员逐渐开始设计研发具有柔性、可穿戴的锌空电池装置。然而,目前已报道的柔性锌空电池均不可避免地需要使用大量的粘结剂和导电剂来增加电极材料同基底的附着力及减小界面接触电阻。大量的非活性物质的引入极大地增加了电池整体的质量,不利于满足便携电子装置对轻便性的需求。因此,优化电池结构,减少非活性材料的载量对于构筑具有优良柔性和电化学性质的锌空电池至关重要。另外,当前锌空电池发展的最大瓶颈是如何加快阴极发生的氧还原反应。此氧还原反应速率的快慢直接决定了锌空电池在放电过程能量的转换效率和输出功率。金属铂及其合金材料被认为是催化该氧还原反应活性最高的材料,但是其昂贵的价格制约了其广泛使用。因此,当前关于锌空电池的氧还原催化剂的研究重点仍集中在寻找高活性且廉价的金属基或碳基材料。在众多铂催化剂的替代品中,四氧化三锰(Co3O4)因其低廉的价格、丰富的储量和潜在优良的催化性能吸引了大批研究者。然而受制于较低的导电性,Co3O4的催化活性仍未被完全展现。如何提高Co3O4的本征导电性将是提升锌空电池阴极氧还原反应的催化效率的关键。

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近日,我院卢锡洪副教授课题组与香港科技大学杨世和教授课题组合作研发出了一种可作为柔性锌空电池新型阴极材料的氮掺杂Co3O4介孔纳米线阵列。他们通过水热法首先在商业化碳布上生长了Co3O4纳米阵列。因活性材料直接生在碳布基底上,从而避免了大量导电剂和粘结剂的使用。随后在氨气气氛下控温热处理前一步水热生长的Co3O4制备了氮掺杂Co3O4纳米阵列。实验结果与密度泛函理论计算均表明氮掺杂明显改善了Co3O4的导电性和氧气吸附能力,进而提升了其对氧还原反应的催化活性。利用这种无需粘结剂与导电剂的高效氮掺杂Co3O4电极,他们组装了一种全固态柔性锌空电池。该柔性电池体积比容量高达98.1 mAh cm-3,并在不同弯折程度下仍能保持稳定的性能。这种独特的设计思路有望为清洁、可再生能源在柔性可穿戴电子设备的推广使用提供新思路。相关成果最近以Nitrogen-Doped Co3O4 Mesoporous Nanowire Arrays as an Additive-Free Air-Cathode for Flexible Solid-State Zinc–Air Batteries为题发表在Adv. Mater.上,于明浩博士研究生为该第一作者(Minghao Yu, Zhengke Wang, Cheng Hou, Zilong Wang, Chaolun Liang, Cunyuan Zhao, Yexiang Tong, Xihong Lu, and Shihe Yang,Adv. Mater.,2017, 29, 1602868)。

上述研究工作得到了童叶翔教授的大力支持和国家自然科学基金、广东省自然科学杰出青年基金、广东特支计划“科技创新青年拔尖人才”、珠江科技新星专项、广东大学生科技创新培育专项资金等项目的资助。

文章链接:
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201602868/abstract

文章录入:李心宇      责任编辑:谢志强
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