匹配氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的非對(duì)稱電極設(shè)計(jì)取得新進(jìn)展
發(fā)布日期：2024-02-20
近日，遼寧科技大學(xué)化工學(xué)院“能源材料與電化學(xué)”遼寧省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在匹配鋅-空氣電池陰極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的電極設(shè)計(jì)研究領(lǐng)域取得進(jìn)展，研究成果“An asymmetric electrode matching reversible kinetics of oxygen reaction for a rechargeable Zn-air battery”在材料類TOP期刊《Chemical Engineering Journal》發(fā)表題。論文第一作者為2018級(jí)博士研究生李姝馨，通訊作者為安百鋼教授，我校為第一通訊單位。
可充電鋅-空氣電池 (ZAB) 因其理論能量密度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、環(huán)境友好、成本效益高等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種理想的能量系統(tǒng)。ZAB以金屬鋅為陽(yáng)極、空氣為陰極，其放電和充電過(guò)程分別對(duì)應(yīng)發(fā)生在空氣陰極上的氧還原反應(yīng) (ORR) 和氧析出反應(yīng) (OER)。由于ORR和OER的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)均很緩慢，因此，構(gòu)建具有高效ORR/OER雙功能催化劑的空氣陰極，對(duì)于催化劑的本征活性和活性位點(diǎn)的可及性起著至關(guān)重要的作用。然而，多相氣-液-固反應(yīng)在ORR/OER過(guò)程需要合理的電極設(shè)計(jì)以提供與多相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)相匹配的優(yōu)化界面。為了解決這一問(wèn)題，該研究設(shè)計(jì)并制備了一種不對(duì)稱陰極 (Asy-electrode )，以碳布上包裹Co納米顆粒的碳納米管陣列 (CNAs) 作為親氣側(cè) (AI-side) 匹配并增強(qiáng)ORR動(dòng)力學(xué)，另一側(cè)以鎳鐵層狀雙金屬氫氧化物 (NiFe-LDH) 沉積在CNAs上作為疏氧（親水）側(cè) (AO-side) 提高OER動(dòng)力學(xué)。這種獨(dú)特的電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效平衡了O2和OH-的吸附和解吸，促進(jìn)了氣相和液相反應(yīng)物及產(chǎn)物的傳質(zhì)、吸附和解吸。這種不對(duì)稱陰極用于鋅-空氣電池展現(xiàn)出高功率密度、比容量和倍率性能。并且在高電流密度下，具有優(yōu)異的長(zhǎng)循環(huán)充放電穩(wěn)定性，由于電極兩側(cè)的親氣/親水界面結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了陰極上的動(dòng)力學(xué)、改善了充放電反應(yīng)的可逆性。
該項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和遼寧省能源材料與電化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。
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https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.148868
（供稿：李姝馨；審核：張涵）