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資源與材料學院在鋅空氣電池領域取得重要突破

日期:2025-07-03                      來源:資源與材料學院                      作者:資源與材料學院                     編輯:金子驪 齊芳                      關注:[]

近日,資源與材料學院伊廷鋒教授團隊在鋅空氣電池領域取得重要進展,研究成果“Enhanced bifunctional oxygen electrocatalysis by synergistic active heterostructure design (協同活性異質結構設計增強雙功能氧電催化)”發表于能源材料領域國際頂級刊物Advanced Energy Materials(中科院一區,影響因子26)。材料科學與工程專業博士研究生李桃桃為本文的第一作者,我校伊廷鋒教授和四川大學張千玉副教授為論文通訊作者,東北大學為第一完成單位。

日益嚴重的能源危機和環境問題促使研究人員開發高效的能源儲存和轉換設備,以有效利用新的可再生能源??沙潆婁\空氣電池具有理論能量密度高、成本低、安全性能可靠、可長期充電等優點,是下一代儲能系統的理想候選材料。然而,由于空氣電極上的電化學反應氧還原反應(ORR)和析氧反應(OER)速度較慢,涉及多個質子耦合電子轉移過程以及含氧中間產物的吸附/解吸,因此反應動力學慢、能量障礙高,嚴重阻礙了鋅空氣電池的商業開發。盡管貴金屬基(Pt/Ru 基)電催化劑具有優異的 ORR/OER 催化活性,但其稀缺性和高成本阻礙了其大規模商業化。因此,迫切需要開發低成本、高效、耐用的非貴金屬雙功能氧電催化劑。

因此,該研究團隊通過引入碳點(CDs)來輔助調節單相雙金屬氧化物(CoFe2O4)和金屬位點(Co),從而構建了穩定高效的雙功能電催化劑。匹配良好的晶格建立了一個相互作用界面,促進了 Co 和 CoFe2O4之間的動態電子轉移,并重新分配了局部電荷密度,以滿足 ORR 和 OER 的不同需求。CDs 的引入有效地結合了活性位點并改變了電子密度,即 Co2+被部分還原成 Co 納米粒子(NPs),Co NPs 引發的電子轉移調節了 CoFe2O4位點上氧中間產物的吸附能,加速了 *O2 向 *OOH 的轉化,從而促進了最終產物的形成和釋放,并因此降低了能障。這種獨特的 CDs 輔助衍生異質結構大大提高了FeCoCDs/CSs 催化劑的高活性雙功能性能,優于大多數已報道的催化劑。用 FeCoCDs/CSs 組裝的鋅空氣水充電電池表現出令人印象深刻的性能,比容量高達 821.59 mAh g-1,在20 mA cm-2條件下充放電循環持續時間為750 h。使用 FeCoCDs/CS 組裝的 FZAB 即使在-40~60oC 的寬溫度范圍內也能超穩定運行。由于CDs有效地調節了 Co/FeCo2O4異質界面,它誘導了局部電荷的重新分布,從而促進了電化學反應過程中的電子和質量轉移,提高了催化活性,并為優化能源設備和能源轉換碳基催化劑工程提供了新的見解。

FeCoCDs/CSs的相應的理論計算示意圖


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