胡良兵教授課題組EES：瞬間原位合成超細釕納米顆粒用于高倍率Li-CO2電池

kv1004 5年前 (2019-03-05) 5143瀏覽

【引言】

Li-CO2電池利用CO2進行電化學儲能，具有能量密度高的特點。然而，Li-CO2電池的放電產物Li2CO3，在充電過程中需要高電壓才能夠分解。含碳基體上擔載金屬納米顆粒有利于提高Li-CO2電池反應的可逆性。濕化學法是一種簡單、廉價、可持續制備碳載金屬顆粒的方法，然而，納米顆粒在較長的反應時間、高壓條件或熱處理條件下易于發生團聚，進而失去一定的催化活性。此外，碳基體的物理和化學性質對金屬納米顆粒的尺寸分布、擔載量和可分散性有顯著的影響。

【成果簡介】

近日，以喬蕓/徐劭懋為共同第一作者，馬里蘭大學胡良兵教授（通訊作者）課題組，在Energy Environ. Sci.上報道了采用瞬間熱沖擊法，原位合成出活化碳納米纖維（ACNF）擔載超細釕納米顆粒，將其作為正極，組裝的Li-CO2電池不僅循環性能出色，而且過電位低。在電流密度為0.1 A g–1條件下，經過50個循環，其過電位為1.43V。在0.8和1.0 A g–1的高電流密度下，電池過電位僅為1.79 和1.81 V，表明釕納米顆粒催化劑可以促進CO2和Li2CO3的可逆反應。因此，這種方法為制備高性能Li-CO2電池提供了全新的制備方法，并有望應用于催化和其它可再生能源儲能技術。

【圖文導讀】

圖1. (a) 碳納米纖維 (CNF) 和 (b) 活化碳納米纖維 (ACNF) 負載釕納米顆粒的過程示意圖.

圖2. 釕納米顆粒的合成和表征

(a) 熱沖擊前和熱沖擊過程中的ACNF-RuCl3膜；(b) 波長范圍為464 - 867 nm的發射光譜； (c) 0-100 ms的熱沖擊的溫度-時間曲線；(d-f) Ru/CNF的SEM圖、TEM圖和納米顆粒的尺寸分布；(g-i) Ru/ACNF的SEM圖 (g)、TEM圖 (h, j)、HRTEM圖 (k) 和納米顆粒的尺寸分布 (i)；(l) Ru/ACNF的SAED圖；(m-n) Ru/CNF電極和Ru/ACNF電極的截面SEM圖；(o) 截面SEM圖中標記位置的EDX圖。

圖3. Ru/ACNF正極的電化學性能

(a) Ru/CNF和Ru/ACNF在電流密度為1 A g–1時的充放電曲線；(b) Ru/ACNF在第1個、第2個、第10個、第20個、第50個循環的充放電曲線；(c) 循環過程中的充放電的截至電壓；(d) 不同電流密度下Ru/ACNF的充放電曲線；(d) 不同電流密度下Ru/ACNF的放電放電截至電壓；(f) 過電位的對比。

圖4. 循環后Ru/ACNF正極的表征

(a) 放電后Ru/ACNF正極的SEM圖；(b) 放電后Ru/ACNF正極的TEM圖；(c) 放電后Ru/ACNF正極的示意圖；(d) 首次充電后Ru/ACNF正極的SEM圖；(e) 首次充電后Ru/ACNF正極的TEM圖；(f) 首次充電后Ru/ACNF正極的示意圖；(g) 完全放電和充電后Ru/ACNF正極的XRD圖；(h) 完全放電和充電后Ru/ACNF正極的XPS圖；(i) 充電過程中的Ru/ACNF正極的產氣速率。

【小結】

胡良兵教授團隊合成擔載在ACNF上的釕納米顆粒作為Li-CO2電池正極。釕納米顆粒均勻地錨定在ACNF上，增加了反應位點。相互交聯的納米纖維間的空隙，為CO2的擴散提供了通道。同時，ACNF具有的多孔結構，不僅有利于電解液滲入，促進鋰離子傳輸，也為Li2CO3沉積提供了空間。因此，Ru/ACNF正極表現出優異的倍率性能。這項研究為開發循環性能和倍率性能優異的Li-CO2電池電極材料提供了全新的制備方法，這種方法同時也可應用于催化和其它可再生的儲能技術。南京大學何平教授團隊提供了差分電化學質譜的測定和分析。

文獻鏈接：Transient, in situ Synthesis of Ultrafine Ruthenium Nanoparticles for a High-rate Li-CO2 Battery? （Energy Environ. Sci.，2019，DOI：10.1039/C8EE03506G）

【相關優質文獻推薦】

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  3. Qiao, Yu; Yi, Jin; Wu, Shichao; Liu, Yang; Yang, Sixie; He, Ping; Zhou, Haoshen, Li-CO2 Electrochemistry: A New Strategy for CO2 Fixation and Energy Storage. Joule 2017, 1 (2), 359-370.
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本文由材料人編輯部kv1004供稿，材料牛編輯整理。感謝胡教授課題組在百忙之中對本文進行校稿！

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