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学术报道

唐亚文、邱晓雨课题组在Advanced Materials上发表研究论文

近日,我校化科院唐亚文、邱晓雨课题组在石墨烯双面功能化方面的研究成果发表在Advanced Materials(2020, 2003134, IF=25.809)上。Advanced Materials是材料领域最有影响力的期刊之一。论文第一作者为化科院2017级硕士生陈江越,通讯作者为我校青年教师邱晓雨博士、美国德克萨斯大学付更涛博士(我校2017届博士生)、澳大利亚纽卡斯尔大学马天翼教授。

可充电金属-空气电池由于其较高的能量密度,低成本以及高安全性受到了广泛关注。金属-空气电池的充电和放电分别发生了氧气还原反应(ORR)和析氧反应(OER)。ORR和OER是一个可逆反应。理论上讲,有利于ORR进行的界面必然不利于OER;反之亦然。常用的将ORR和OER活性组分简单混合的方法不能有效地构建独立的、互不干扰的ORR和OER催化界面;同时,长期运行过程中,双功能活性组分之间的团聚和溶解也阻碍了金属-空气电池性能的进一步提高。因此,设计高效的、具有独立ORR/OER双功能界面的电催化剂对加速可充电金属-空气电池的商业化至关重要。

唐亚文课题组通过多步自组装方法,制备得到了具有不同ORR/OER功能化界面的石墨烯球。首先通过静电作用在二氧化硅球表面均匀地吸附[Ni(CN)4]2-;以氧化石墨烯包覆后,再通过π-π堆积作用将肽菁亚铁(FePc)锚定在其外表面;惰性氛围下高温热解,除去模板后得到内层为单原子Ni、外层为单原子Fe的Ni-N4/GHSs/Fe-N4双功能催化剂。电化学测试表明Ni-N4/GHSs/Fe-N4对ORR和OER具有高活性,ORR半波电位E1/2为0.83 V,而OER过电位Ej10仅为0.39 V;对照组(Ni-N4/GHSs和GHSs/Fe-N4)研究证明,石墨烯球内部的Ni-N4为OER活性组分,外部的Fe-N4为ORR活性组分,石墨烯的两个界面发挥了不同功能。组装成锌空电池中,OER/ORR双功能的Ni-N4/GHSs/Fe-N4基空气阴极表现出较大的比容量(777.6 mAh gZn-1,理论值的94.8%)和能量密度(970.4 Wh kgZn-1,理论值的89.5%),较高的充放电循环稳定性和快速响应性能。在600次的充放电循环后,Ni-N4/GHSs/Fe-N4基空气阴极仍能维持较高的充放电效率(52.2%),明显优于商业化Pt/C+RuO2基空气阴极(45.2%)。这一研究结果为石墨烯界面的不同功能化提供了一种新的思路。

该工作得到了江苏省新型动力电池重点实验室、江苏省生物医药功能材料协同创新中心、生物医药功能材料国家地方联合工程中心、国家自然科学基金、江苏省优势学科建设项目等资金的支持。

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江苏省新型动力电池重点实验室

化学与材料科学学院

2020.06.24

  • 更新时间

    2020年06月26日

  • 阅读量

  • 供稿

    化科院

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