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材料學院董立峯教授團隊在鋅空電池和超級電容器研究領域取得進展
作者:材料學院  來源:材料學院  編輯:李鯤鵬   點擊:[] 日期:2020年09月07日

電能的儲存系統,對合理利用風能、潮汐能和太陽能等可再生能源十分重要。在各種儲能系統中,電化學儲能裝置,如超級電容器、鋰離子電池和金屬-空氣電池等均顯示出巨大的潛力。我校材料科學與工程學院董立峯教授和於立巖教授致力於電化學儲能技術的研究,以簡單合成低成本碳基材料為電極和空氣催化劑在超級電容器和鋅空電池領域取得階段性進展。以青島科技大學為第一通訊單位,在一區期刊Chemical Engineering Journal(影響因子10.652)發表論文兩篇(2020, 393, 124710;2020, 399, 125718)。

超級電容器具有功率密度高、循環穩定性好、綠色環保等眾多優勢,被公認為本世紀最具潛力的新型綠色能源器件之一。有序介孔碳因其具有高度有序的孔道結構、可調控的孔道尺寸以及高温穩定性等諸多優勢,被認為是理想的超級電容器電極材料。然而,傳統的有序介孔碳製備方法較為繁瑣,合成週期漫長。與此同時,有序介孔碳的電容性能往往達不到理想要求,很大程度上限制了其進一步應用。

近日,團隊在“A novel sol-gel strategy for N, P dual-doped mesoporous carbon with high specific capacitance and energy density for advanced supercapacitors”(2020, 393, 124710,//doi.org/10.1016/j.cej.2020.124710)工作中提出一種創新型溶膠-凝膠法,在合成結構高度有序、高比表面積和電化學性能優良的介孔碳材料的同時,大大縮短了其合成時間。與傳統的蒸發誘導自組裝法不同,本工作中採用乙醇/去離子水的混合物來代替單純的無水乙醇作為溶劑,實現了自組裝和溶劑蒸發過程同步進行,避免了耗時的自然蒸發過程,大大提高了製備效率。與此同時,實驗中採用聚吡咯和氨基三亞甲基膦酸分別作為N源和P源對材料進行功能化修飾,N與P之間的協同效應增加了大量以P-C鍵為主的活性位點,極大地提高了材料的電化學性能。這項工作對實現有序介孔碳材料在能源儲存與轉換領域的大規模應用具有一定的科學價值和現實意義。材料學院碩士生辛喜鵬、碩士生康洪權和馮建光老師為共同第一作者。

鋅空電池由於具有低成本(<10 $/kWh)、高能量密度(1086 Wh/kg)、低自放電率、環境友好等優勢,被認為最有前途的電能儲存技術之一。目前,鋅空電池的空氣電極主要採用Pt、Ir等貴金屬基催化劑,其成本昂貴,且對鋅空電池的充放電過程涉及的氧析出和氧還原雙功能催化活性差。因此,開發具有高效雙功能催化活性且價格低廉的非貴金屬基催化劑對二次鋅空電池的發展和商業化有重要的意義。

近日,團隊在“Dual-active-site hierarchical architecture containing NiFe-LDH and ZIF-derived carbon-based framework composite as efficient bifunctional oxygen electrocatalysts for durable rechargeable Zn-air batteries”(2020, 399, 125718,//doi.org/10.1016/j.cej.2020.125718)工作中利用“沸石咪唑酯骨架結構材料(ZIF)”的衍生物與Ni、Fe雙金屬氫氧化物(NiFe-LDH)共同構建了一種具有多層次複合結構的催化劑。該材料充分利用了兩種組元對氧還原和氧析出的高效催化活性,通過合理的結構、組成設計和不同離子之間的協同作用來提高其雙功能催化活性和穩定性。ZIF原位生成的碳納米管和負載的片狀LDH與基底碳材料構建的多層次複合結構不僅利於反應物與產物的擴散傳質,且能夠有效避免催化活性位點之間的相互遮擋,使催化活性位點在材料表面充分暴露。該催化劑在鹼性電解質中表現出與貴金屬催化劑相當的氧還原與氧析出催化活性及更高的穩定性,並且二次鋅空電池中顯示出107.8 mW cm2的放電功率密度和高達1800次穩定的充放電循環,其性能遠超貴金屬催化劑。這項工作為開發高性能二次鋅空電池的雙功能催化劑提供了一種更為簡單有效的思路。材料學院博士研究生陳迪為第一作者。

以上工作得到了國家自然科學基金、山東省自然科學基金、青島市科技發展計劃、青島科技大學嶗山學者等項目的資助。

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