负载NiCo金属粒子的N掺杂多孔碳结构作为Zn空气电池优异的双功能电催化剂

利用气体发泡技术和高温快速碳化的方法制备了负载过渡金属NiCo金属粒子的N掺杂多孔碳结构作为Zn空气电池优异的双功能电催化剂。利用SEM、XRD、比表面积和孔径以及电化学工作站分别对负载NiCo金属粒子的多孔碳进行形貌、物相、比表面积和孔径以及电化学性能进行表征,最后组装成全电池进行充放电以及稳定性测试。结果表明,当镍源和钴源的质量比为1∶1,碳化温度为1 000℃(Ni_(1/2)Co_(1/2)NCF-1000)的样品,不仅具有大的比表面积(1 023.85 m~2/g),而且其ORR半波电位(0.24V)仅比贵金属催化剂Pt/C的半波电位(0.21 V)低30 mV,OER的过电位为450 mV,远小于贵金属催化剂RuO_2的过电位(480 mV)。Ni_(1/2)Co_(1/2)NCF-1000样品组装成Zn空气电池后其比容量和比能量分别达到827mAh·g~(-1)和1013Wh·Kg~(-1),远大于贵金属催化剂Pt/C+RuO_2的比容量和比能量(756 mAh·g~(-1)和871 Wh·Kg~(-1))。     

立方体咪唑骨架衍生CoFe合金纳米粒子嵌入N-掺杂石墨化碳中用于锌空气电池放电反应（英文）

目前,贵金属铂被认为是性能最优异的氧还原催化剂,但是其昂贵的价格、有限的储量制约了其大规模应用,因此制备具有高催化活性和稳定性的过渡金属基催化剂迫在眉睫.在本工作中,我们构筑了一种CoFe合金纳米颗粒嵌入到N-掺杂石墨化碳纳米结构中的复合材料(CoFe/NC)作为氧还原催化剂.我们首先制备了ZIF-67纳米立方体,再利用离子交换法在其骨架中引入Fe2+形成CoFe-ZIF前驱体.通过在惰性气氛下煅烧得到CoFe/NC催化剂.由于钴、铁及氮掺杂的协同作用,CoFe/NC-0.2-900催化剂(在900°C下煅烧掺杂0.2 mmol硫酸亚铁的CoFe/NC)表现出优异的氧还原性能,尤其是极限电流密度(6.4 mA cm^-2)远高于Pt/C(5.1 mA cm^-2).采用CoFe/NC-0.2-900和NiFeP/NF(负载在泡沫镍上的NiFeP)分别作为放电和充电反应催化剂组装的可充电锌空气电池,与传统的Pt/C+RuO2/C催化剂组装的电池相比,具有较低的充放电电压差、较大的功率密度和更优异的循环稳定性.     

碱式磷酸氢钴双功能电催化剂及其在可充电锌-空气电池中的应用

具有高效和长循环的空气正极对构建高性能的可充电锌-空气电池(ZABs)至关重要。在此,首次采用水油两相水热合成方法,成功制备了一种双功能氧电催化剂Co₃(OH)₂(HPO₄)₂(Co-OH-HPi)。研究表明：Co-OH-HPi电催化剂具有较大比表面积和Co (Ⅲ)活性位点,展示出优异的ORR/OER双功能电催化性能。将该材料作为空气正极组装成ZABs后,具有较小的双功能氧电催化剂电势间隙(ΔE=0.81 V),1.42 V的高开路电压,在10 mA·cm^-2电流密度下816 mAh·g_Zn^-1的大放电比容量和150 mW·cm^-2的高峰功率密度。该研究提供了一种新颖的策略来合成优异的双功能电催化剂并应用于先进的锌-空气电池。     

氮硫共掺杂碳材料均匀担载核壳纳米颗粒Co@Co9S8作为氧还原催化剂的研究

开发高效、稳定的非贵金属氧还原(ORR)催化剂是促进燃料电池商业化进程的关键。通过树脂衍生N、S共掺杂碳材料负载原位生成的Co@Co₉S₈核壳结构纳米颗粒，制备出一种具有良好活性和稳定的非贵金属催化剂Co@Co₉S₈/NSC。电化学测试结果表明：Co@Co₉S₈/NSC催化剂的半波电位(E_1/2)和极限电流密度可与商业Pt/C催化剂相媲美。同时相较商业Pt/C催化剂，其还具有极好的抗甲醇活性。此外，计时电流测试表明：持续老化10000s后，Co@Co₉S₈/NSC的电流密度保持了初始值的97.5%,远低于商业Pt/C催化剂的23.3%。为构建高活性高稳定性核壳结构ORR催化剂提供了新的思路，同时其思路也可以应用于其他新能源电极材料如Li-空气电池、Li-S电池及超级电容器等。     

碱性溶液中不同微观结构的Fe-N/C催化剂氧还原性能的稳定性对比研究（英文）

Fe-N/C催化剂在氧还原反应中的作用机理对于开发高效、可持续使用的非贵金属催化剂在聚合物电解质膜燃料电池中的应用至关重要,但目前仍存在很多的难以攻克的问题。为了揭示纳米结构与电化学活性的关系,本研究开发了一种具有高电化学活性的Fe-N/C氧还原催化剂,该催化剂含有Fe-N_x位点和被氮掺杂的碳纳米管包裹的Fe/Fe_3C纳米晶体两种具有氧还原反应电化学活性的纳米结构。尽管不含贵金属铂,本研究合成的Fe-N/C催化剂在碱性条件下仍显示出较高的ORR活性,半波电势为0.86 V(vs RHE),质量活性为18.84 A/g(0.77 V(vs RHE),极限电流密度为–4.3 mA·cm~(–2)。同时,电子转移数为3.7(0.2 V(vs RHE),说明Fe-N/C催化剂中4电子ORR反应的比例较高。石墨烯包覆的金属Fe/Fe_3C纳米晶生长N-CNTs后,材料的导电性有所提高,并且Fe-N_x活性位点在Fe/Fe_3C纳米颗粒表面分布均匀,改善了材料的电化学活性。本研究为非贵金属氧还原电催化剂的继续深入研究以及广泛应用于商业化生产提供了一定的借鉴和依据。     

碱性溶液中不同微观结构的Fe-N/C催化剂氧还原性能的稳定性对比研究

Fe-N/C催化剂在氧还原反应中的作用机理对于开发高效、可持续使用的非贵金属催化剂在聚合物电解质膜燃料电池中的应用至关重要, 但目前仍存在很多的难以攻克的问题。为了揭示纳米结构与电化学活性的关系, 本研究开发了一种具有高电化学活性的Fe-N/C氧还原催化剂, 该催化剂含有Fe-N_x位点和被氮掺杂的碳纳米管包裹的Fe/Fe₃C纳米晶体两种具有氧还原反应电化学活性的纳米结构。尽管不含贵金属铂, 本研究合成的Fe-N/C催化剂在碱性条件下仍显示出较高的ORR活性, 半波电势为0.86 V(vs RHE), 质量活性为18.84 A/g(0.77 V(vs RHE), 极限电流密度为-4.3 mA·cm ^-2。同时, 电子转移数为3.7(0.2 V(vs RHE), 说明Fe-N/C催化剂中4电子ORR反应的比例较高。石墨烯包覆的金属Fe/Fe₃C纳米晶生长N-CNTs后, 材料的导电性有所提高, 并且Fe-N_x活性位点在Fe/Fe₃C纳米颗粒表面分布均匀, 改善了材料的电化学活性。本研究为非贵金属氧还原电催化剂的继续深入研究以及广泛应用于商业化生产提供了一定的借鉴和依据。     

Ni-BTC/RGO复合材料的制备及其电化学性能EI北大核心CSCD

为了制备价格低廉且比电容高、循环稳定性好的电容器材料,采用电化学法合成石墨烯基含镍金属有机骨架材料Ni-BTC/RGO,研究含镍金属有机骨架材料Ni-BTC的合成条件以及Ni-BTC/RGO的电化学性能。对不同条件下的系列Ni-BTC材料进行XRD分析,并对Ni-BTC,RGO和Ni-BTC/RGO进行SEM测试、循环伏安测试和恒电流充放电测试。结果表明:工作电压为6 V、反应时间为3 h、反应体系温度为35℃是Ni-BTC的最佳合成条件;Ni-BTC和RGO成功复合且RGO对Ni-BTC的结构并未产生影响;复合材料主要表现赝电容电化学行为。在0.5 A·g^(-1)电流密度下,Ni-BTC/RGO的比电容为468.72 F·g^(-1),功率密度为0.249 W·g^(-1);在1.0 A·g^(-1)电流密度下循环500周次以后,比电容保留率为50.08%。     

聚多巴胺包覆铂单质纳米材料的制备及其电化学性能的表征

通过盐酸多巴胺在含有氯铂酸溶液中聚合,包覆贵金属铂(Pt)单质,搅拌速度控制包覆颗粒的大小,并在氮气保护下高温处理,制得新型催化剂铂碳氮(Pt@CN)。通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线光子能谱(XPS)等技术研究了其结构特征,并采用电化学仪器对新型材料在甲醇燃料电池中的应用进行检测。制得的Pt@CN催化剂性能比铂碳(Pt/C)好。Pt@CN、Pt/C的氧化峰位置分别为0.637V和0.665V,Pt@CN的峰位置比Pt/C负移了28mV。Pt@CN、Pt/C的氧化峰位置的电流密度分别为15.5mA和6.09mA,Pt@CN氧化甲醇的电流密度比Pt/C高2.5倍左右。     

ZIF衍生钴镍笼状双金属硫化物高效双功能电催化剂

锌-空气电池的阴极氧还原反应(ORR)动力迟缓,急需开发活性高、成本低的阴极催化剂。本文采用两次热解法合成了沸石咪唑酯骨架结构(ZIF)衍生的多孔碳负载Co、Ni双金属硫化物笼状纳米颗粒材料,通过SEM、XRD、Raman、N₂吸附比表面分析、电化学分析等对负载Co、Ni笼状双金属硫化物的多孔碳进行形貌、结构表征以及性能测试。结果表明,金属硫化物导电性能优异,且热解后的多孔碳结构会暴露更多活性位点,具有优异的电催化活性,ORR性能测试中,其半波电位可达0.89 V,优于商用Pt/C催化剂的0.85 V。OER性能在电流密度为10 mA/cm²时电位为1.79 V,与商用IrO₂(电位可达1.68 V)相当。本文制备的笼状双金属硫化物具有优异的性能,可作为锌-空气电池的优异双功能电催化剂。     

半限域层次孔炭三维锂负极的构筑及性能EI

金属锂负极是锂电池极具发展潜力的高能二次电池负极材料,但是锂枝晶生长、界面不稳定、循环稳定性差和体积膨胀大等问题限制了锂负极的应用。针对枝晶生长和体积膨胀的问题,本工作通过模板法构筑了一种具有较大比表面积的半限域式层次孔炭(HPC)材料,HPC电极材料的高比表面积可降低局部电流密度,丰富的孔道结构可将锂限制在其内部沉积,从而达到抑制枝晶生长和缓解体积膨胀的目的。Li‖HPC电池在电流密度为1.0 mA·cm^(-2)、沉积电量为1.0 mAh·cm^(-2)条件下可以循环超过250周次,其库仑效率保持在97.6%。采用此负极与磷酸铁锂(LiFePO_(4))正极匹配制备的Li@HPC‖LiFePO_(4)全电池,在0.5 C下循环100周次后的正极放电比容量为93.6 mAh·g^(-1),较相同条件下的Li@Cu‖LiFePO_(4)全电池(60.8 mAh·g^(-1))提升了32.8 mAh·g^(-1)。     

Co~(2+)掺杂石墨烯/LiFePO_4锂离子电池复合正极材料的制备与表征

使用溶胶凝胶原位碳热还原制备了Co2+掺杂石墨烯/LiFePO4锂离子电池复合正极材料(石墨烯/LiCo0.03Fe0.97PO4),以期获得比容量高、充放电速率快和循环性能优良的锂离子电池正极材料。结构和形貌表征结果显示:石墨烯/LiCo0.03Fe0.97PO4复合材料具有三维导电网络结构,颗粒在石墨烯片层间生长均匀,粒径在200nm左右。电化学测试结果显示:石墨烯/LiCo0.03Fe0.97PO4复合材料具有高的可逆比容量和优异的循环倍率性能。2.0~4.0V充放电下0.1C时的首次放电比容量为159mA·h·g-1,在10.0C下首次放电比容量也有74mA·h·g-1;0.5C下循环100次,比容量保持率为99.7%。石墨烯/LiCo0.03Fe0.97PO4复合材料电化学性能提高的原因主要为Co2+掺杂和石墨烯包覆的协同作用。     

LaNiO3 modified with Ag nanoparticles as an efficient bifunctional electrocatalyst for rechargeable zinc--air batteries

No-precious bifunctional catalysts with high electrochemical activities and stability were crucial to properties of rechargeable zinc–air batteries. Herein, LaNiO₃ modified with Ag nanoparticles (Ag/LaNiO₃) was prepared by the co-synthesis method and evaluated as the bifunctional oxygen catalyst for oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER). Compared with LaNiO₃, Ag/LaNiO₃ demonstrated the enhanced catalytic activity towards ORR/OER as well as higher limited current density and lower onset potential. Moreover, the potential gap between ORR potential (at −3 mA·cm⁻²) and OER potential (at 5 mA·cm⁻²) was 1.16 V. The maximum power density of the primary zinc–air battery with Ag/LaNiO₃ catalyst achieved 60 mW·cm⁻². Furthermore, rechargeable zinc–air batteries operated reversible charge–discharge cycles for 150 cycles without noticeable performance deterioration, which showed its excellent bifunctional activity and cycling stability as oxygen electrocatalyst for rechargeable zinc–air batteries. These results indicated that Ag/LaNiO₃ prepared by the co-synthesis method was a promising bifunctional catalyst for rechargeable zinc–air batteries.     

Three-dimensional sea urchin-like MnCo2O4 nanoarchitectures on Ni foam towards high-performance asymmetric supercapacitors

To construct supercapacitors (SCs) with high-efficient electrochemical properties, the morphology and structure of applied electrode materials are the key factors. Herein, three-dimensional (3D) sea urchin-like MnCo₂O₄ nanoarchitectures grown on Ni foam (NF) were successfully synthesized via a simple solvothermal method and subsequent annealing treatment. Electrochemical tests revealed that the area specific capacitances of the MnCo₂O₄ electrode and the corresponding assembled asymmetric device can achieve 1634 and 522 mF·cm⁻², respectively. When the power density of the assembled asymmetric supercapacitor (ASC) is 2.25 mW·cm⁻², the maximum energy density can reach 0.163 mW·h·cm⁻². After 5500 cycles of long-term stability test, the capacity retention rate maintains 91.7%. The excellent electrochemical performance can be mainly ascribed to the unique nanostructure of the material, which provides a great quantity of electroactive sites for Faraday redox reactions as well as accelerates the process of the ions/electrons transport. This work provides a certain reference value for the preparation of MnCo₂O₄ electrode with novel structure and excellent electrochemical performance for SCs.     

A Zeolitic-Imidazole Frameworks-Derived Interconnected Macroporous Carbon Matrix for Efficient Oxygen Electrocatalysis in Rechargeable Zinc–Air Batteries

Nanostructures derived from zeolitic-imidazole frameworks (ZIFs) gain much interest in bifunctional oxygen electrocatalysis. However, they are not satisfied well for long-life rechargeable zinc–air batteries due to the limited single particle morphology. Herein, the preparation of an interconnected macroporous carbon matrix with a well-defined 3D architecture by the pyrolysis of silica templated ZIF-67 assemblies is reported. The matrix catalyst assembled zinc–air battery exhibits a high power density of 221.1 mW cm⁻² as well as excellent stability during 500 discharging/charging cycles, surpassing that of a commercial Pt/C assembled battery. The synergistic effect from the interconnected macroporous structure together with abundant cobalt–nitrogen–carbon active sites justify the excellent electrocatalytic activity and battery performance. Considering the advanced nanostructures and performance, the as-synthesized hybrid would be promising for rechargeable zinc–air batteries and other energy technologies. This work may also provide significant concept in the view of electrocatalysis design for long-life battery.     

rGO/PANI/MnO2三元复合材料的制备和电化学性能

用水热合成法和冻干操作制备石墨烯/聚苯胺/二氧化锰三元复合材料(rGO/PANI/MnO₂),使用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和扫描电子显微镜(SEM)对其进行了表征。结果表明,用这种简单高效的方法制备的复合材料,具有相互交联的网络状结构和自支撑特性。在反应过程中MnO₂与聚苯胺形成不规则的块状结构,共沉积在石墨烯自组装形成的网络片层上。这种复合材料具有良好的电容性能,比电容为388 F·g-1(0.5 A·g^-1),优于单纯的石墨烯(rGO,234 F·g-1)和聚苯胺电极(PANI,176 F·g-1)。使用这种复合材料作为正极、rGO作为负极组装的一种不对称超级电容器,能在0～1.6 V范围内可逆循环,功率密度为17.48 W·kg^-1时最大能量密度为13.5 Wh·kg^-1。     

Enhanced cycle stability of spinel LiMnO by a melting impregnation method

Spinel LiMn₂O₄ particles were successfully coated with CuO, MgO, ZnO, Al₂O₃ and CeO₂ by a melting impregnation method. Except for the CeO₂-coated sample, all the others exhibit better cycling stability than bare LiMn₂O₄ at room temperature and at 55°C. Among these samples, the ZnO-coated sample shows the best cycling stability. A capacity of 100 mA·h·g^-1 still remained after 100 cycles at 55°C while the bare LiMn₂O₄ retains a capacity of only 80 mA·h·g^-1 after the same number of cycles. The improvement in the cycling stability is attributed to the suppressed Mn dissolution caused by HF.     

Conductive polypyrrole incorporated nanocellulose/MoS2 film for preparing flexible supercapacitor electrodes

Conductive films have emerged as appealing electrode materials in flexible supercapacitors owing to their conductivity and mechanical flexibility. However, the unsatisfactory electrode structure induced poor output performance and undesirable cycling stability limited their application. Herein, a well-designed film was manufactured by the vacuum filtration and in-situ polymerization method from cellulose nanofibrils (CNFs), molybdenum disulfide (MoS₂), and polypyrrole. The electrode presented an outstanding mechanical strength (21.3 MPa) and electrical conductivity (9.70 S·cm⁻¹). Meanwhile, the introduce of hydrophilic CNFs induced a desirable increase in diffusion path of electrons and ions, along with the synergistic effect among the three components, further endowed the electrode with excellent specific capacitance (0.734 F·cm⁻²) and good cycling stability (84.50% after 2000 charge/discharge cycles). More importantly, the flexible all-solid-state symmetric supercapacitor delivered a high specific capacitance (1.39 F·cm⁻² at 1 mA·cm⁻²) and a volumetric energy density (6.36 mW·h·cm⁻³ at the power density of 16.35 mW·cm⁻³). This work provided a method for preparing composite films with desired mechanical and electrochemical performance, which can broaden the high-value applications of nanocellulose.     

CoSeO3化合物的制备及对阴极氧还原的催化性能

以Co₄(CO)₁₂和Se为原料, 采用低温回流方法在乙二醇介质中合成了CoSeO₃化合物。利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和旋转圆盘电极(RDE)技术表征合成的化合物微观形貌、结构特征和电化学性能。这种化合物主要由单斜结构的CoSeO₃•H₂O晶粒组成, 粒径大小约为26.7 nm, 具有规则的晶体外形。在25℃, 0.5 mol/L H₂SO₄电解液中, CoSeO₃化合物对氧还原反应(ORR)表现出明显的电催化活性, 开路电位为0.80 V(vs NHE)。根据Koutecky-Levich方程计算出每个氧分子还原过程转移的电子数约为3.8。在0.64~0.76 V(vs NHE)电位范围内, 测得催化剂的传递系数、Tafel斜率和交换电流密度分别为0.50、119 mV和1.98×10^-6 mA/cm²。CoSeO₃化合物的催化活性和电化学稳定性也与商品Pt催化剂进行了比较。     

石墨化介孔碳包裹WC纳米粒子的构建及其氧还原性能研究

采用模板复型辅助的化学气相沉积法(CVD)成功制备出一种非贵金属的氧还原反应(ORR)催化剂材料—包裹碳化钨纳米粒子的石墨化介孔碳(WC/MG)复合物。制备的介孔结构WC/MG复合材料不仅具有高氧还原反应电化学催化活性, 还表现出良好的电化学稳定性。在O₂饱和的0.1 mol/L KOH电解质溶液中, 900℃制备的样品WC/ MG-900其半波电势(E_1/2)和极限电流密度仅比商用贵金属催化剂Pt/C分别低50 mV 和 0.2 mA/cm²。Koutecky- Levich曲线和旋转环盘电极实验均表明, 该介孔结构的WC/MG复合材料表现出近似4电子的ORR反应途径, 具有可与Pt/C催化剂相比拟的ORR催化活性, 以及比Pt/C更优越的电化学稳定性和耐甲醇性能, 使得该介孔结构WC/MG复合物在氧还原电极材料中表现出良好的应用前景。     

基于工业化碳材料的锂氟化碳电池正极材料制备及性能EI北大核心CSCD

为实现锂氟化碳电池在更多领域的普遍应用,以工业化碳材料(活性炭、球形石墨、膨胀石墨和工业石墨烯)为碳源,制备了四种氟化碳正极材料。通过扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、红外光谱(FTIR)、X射线能谱(XPS)、氮气吸脱附以及电化学测试等表征手段对材料的微观形貌、晶体结构、化学结构和电化学性能进行了系统的研究。研究表明:氟化工业石墨烯具有完全的单氟化碳结构、高比表面积以及稳定的碳结构,在20 mA·g^(-1)的放电电流下可以实现高达945.4 mAh·g^(-1)的比容量;氟化活性炭具有较多的半共价C-F键,其起始放电电压最高,但是由于其结构稳定性较差,电压平台快速下降,导致整体比容量较低;氟化膨胀石墨和氟化球形石墨与氟化工业石墨烯结构类似,但是由于高氟化碳原子(CF_(2)和CF_(3))的存在,其放电比容量要低于氟化工业石墨烯。不过在高放电电流密度下,氟化膨胀石墨、氟化球形石墨和氟化工业石墨烯的能量密度十分接近,因此,基于氟化膨胀石墨和氟化球形石墨的成本优势,氟化膨胀石墨和氟化球形石墨更适合于高功率应用场景。