?【背景介紹】

電化學儲能器件對實現“碳達峰、碳中和”目標起到重要的作用。與電池儲能相比較，電化學雙電層電容器（EDLC）具有更高的功率密度（>10 kW kg^-1）和更長的循環壽命（>1000000次），可應用于許多高功率密度儲能領域。然而，電化學雙電層電容器通過離子在電極與電解液界面的吸附來存儲電荷，具有較低的能量密度（~10 Wh kg^-1）。金屬離子型混合電容器采用電池型電極與電容型電極相結合的概念，既兼備電容器的高功率密度、長壽命又具有電池的高能量密度，被認為是具有前景的研究方向。然而，目前開發的金屬離子型混合電容器的充放電倍率（≤20 A g^-1）及循環壽命（<100000次）均相對較低。因此，在保證循環壽命和功率密度的前提下，開發高性能的混合電容器對其在儲能領域的應用至關重要。

基于氫氣的電催化型電極因其資源豐富、分子質量輕、動力學快、析氫與氫氣氧化反應（HER/HOR）過電位低等優勢，被認為是一種非常有前景的儲能電極材料。此外，氫氣電極能夠在全pH值范圍（0-14）的電解液中穩定工作。至今為止，一系列新型的氫氣電池體系已經被相繼報道，均表現出良好的倍率和循環性能。因此，利用電催化型氫氣電極的獨特優勢，開發一種高功率和能量密度、長循環壽命的儲能裝置具有重要意義。

【成果簡介】

近日，中國科學技術大學陳維教授團隊報道了一類新型的電催化型氫氣電容器（EHGC）。該電催化型氫氣電容器是通過將電容型碳正極與電催化型氫氣負極相結合的方式開發出來的。在充電過程中，電解液中的陰離子向碳電極表面遷移并發生吸附，形成雙電層，而電解液中的H⁺向負極遷移，在Pt/C催化劑的作用下還原成H₂。放電過程正好與充電過程相反，吸附的陰離子在正極上脫離并遷移到電解液中，H₂在負極上被氧化。這種電催化型氫氣電容器能夠在較寬的溫度范圍（-70~60 ℃）和全pH值范圍（0~14）的電解液中穩定工作。例如，該電催化型氫氣電容器在9 M H₃PO₄電解液與1 A g^-1的電流密度下的能量密度與功率密度分別為45 Wh kg^-1和458 W?kg^-1（基于兩電極的活性物質質量）。另外，該儲能裝置在中性1 M磷酸鹽緩沖溶液電解液中循環10萬次以后，其電容仍保持為初始值的85%。研究成果以題為“Production of a hybrid capacitive storage device via hydrogen gas and carbon electrodes coupling”發表在Nature?Communications。本文通訊作者為陳維，第一作者為中國科學技術大學博士生朱正新。

【圖文解讀】

圖一、電催化型氫氣電容器的設計原理圖

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（a）電催化型氫氣電容器的工作原理圖；

（b）電催化型氫氣電容器與電化學雙電層電容器的電極工作示意圖對比。

圖二、電催化型氫氣電容器在酸性電解液中的電化學性能

（a）掃描速度為10?mV s^-1的CV曲線；

（b）電流密度為1?A?g^-1的充放電曲線；

（c）不同電流密度下的充放電曲線；

（d）電催化型氫氣電容器與雙電層電容器的電容值對比；

（e）電流密度為20?A?g^-1的循環性能；

（f）電流密度為1?A?g^-1在不同氣氛（H₂或Ar）下的循環性能；

（g, h）與文獻中報道的其它電容器的比較。

圖三、電催化型氫氣電容器在中性電解液中的電化學性能

（a）不同掃描速度下的CV曲線；

（b）電流密度為1?A?g^-1不同電壓區間的充放電曲線；

（c）不同電流密度下的充放電曲線；

（d）掃描速度為10?mV s^-1的CV曲線；

（e）電流密度為1?A?g^-1的充放電曲線；

（f）電催化型氫氣電容器與雙電層電容器的電容值對比；

（g）電流密度為10?A?g^-1的循環性能。

圖四、電催化型氫氣電容器在堿性電解液中的電化學性能

（a）掃描速度為10?mV s^-1的CV曲線；

（b）電流密度為1?A?g^-1的充放電曲線；

（c）不同電流密度下的充放電曲線；

（d）電催化型氫氣電容器與雙電層電容器的電容值對比；

（e）電流密度為10?A?g^-1的循環性能。

圖五、電催化型氫氣電容器的全氣候電化學性能

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（a）溫度為60?℃的倍率充放電曲線；

（b）電流密度為1?A?g^-1在不同溫度的充放電曲線；

（c）溫度為-60?℃的倍率充放電曲線；

（d）溫度為-70?℃的倍率充放電曲線；

（e）不同溫度和倍率下的電容值；

（f）溫度為-20?℃且電流密度為4?A?g^-1的循環性能.

圖六、第一性原理計算和不同電容器的比較

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（a-c）理論計算正極與負極的反應；

（d）氫氣負極與碳正極在不同pH值電解液中的電極電勢；

（e，f）電催化型氫氣電容器與雙電層電容器的各項性能參數比較。

【小結】

本文設計并測試了一類新型的電催化型氫氣電容器儲能設備。該電容器由電催化型氫氣負極與碳正極耦合而成，表現出能在全pH值電解液和全氣候環境下正常工作的特點。該電催化型氫氣電容器在功率密度為458?W?kg^-1時具有295 F g^-1的比電容和45?Wh?kg^-1的能量密度。另外，它也展示出優異的充放電倍率（30?A?g^-1）與長的循環壽命（100000次），使其成為實際儲能應用的有力競爭者。這項工作展示了一類新型的催化型混合電容器的開發，突出了電催化型氫氣電極對提高傳統雙電層電容器性能的重要性。

文獻鏈接：Production of a hybrid capacitive storage device via hydrogen gas and carbon electrodes coupling

（Nat. Commun., 2022, 13, 2805, DOI:?10.1038/s41467-022-30450-0）

相關工作

1. Zhengxin Zhu, Weiping Wang, Yichen Yin, Yahan Meng, Zaichun Liu, Taoli Jiang, Qia Peng, Jifei Sun, Wei Chen^*, An Ultrafast and Ultra-Low-Temperature Hydrogen Gas-Proton Battery, Journal of the American Chemical Society, 2021, 143, 20302-20308.https://doi.org/10.1021/jacs.1c09529.
2. Zhengxin Zhu, Yahan Meng, Yichen Yin, Zaichun Liu, Taoli Jiang, Qia Peng, Teng Yin, Mengyao Li, Wei Chen^*, High Performance Aqueous Prussian Blue Analogue-Hydrogen Gas Hybrid Batteries,?Energy Storage Materials, 2021, 42, 464-469. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.07.050
3. Zhengxin Zhu, Yahan Meng, Yi Cui, Wei Chen^*,?An Ultrastable Aqueous Iodine-Hydrogen Gas Battery,?Advanced Functional Materials, 2021, 31, 2101024. ?https://doi.org/10.1002/adfm.2021010244.
4. Wei Chen^#, Guodong Li^#, Allen Pei, Yuzhang Li, Lei Liao, Hongxia Wang, Jiayu Wan, Zheng Liang,GuangxuChen, Hao Zhang,Jiangyan Wang, Yi Cui^*, A Manganese-Hydrogen Battery with Potential for?Grid-Scale Energy Storage,?Nature Energy, 2018, 3, 428-435.?https://doi.org/10.1038/s41560-018-0147-7.
5. Wei Chen, Yang Jin, Jie Zhao, Nian Liu, Yi Cui^*, Nickel-Hydrogen Batteries for Large-Scale Energy Storage, Proceedings of the National Academy of Sciences, U.?A.2018,?115?(46),?11694-11699. https://doi.org/10.1073/pnas.1809344115.

作者簡介：

陳維，中國科學技術大學化學與材料科學學院應用化學系特任教授，博士生導師，合肥微尺度物質科學國家研究中心教授，國家人才項目計劃入選者。2008年于北京科技大學獲材料物理學士學位；2013年于阿卜杜拉國王科技大學獲材料科學與工程博士學位；其后于斯坦福大學從事博士后研究工作；2019年7月入職中國科學技術大學。陳維教授專注于大規模儲能電池，電催化等研究，在上述領域取得了一系列科研成果。以第一作者和通訊作者身份在Nature Energy, PNAS, JACS, Nano Letters, ACS Nano, Advanced Energy Materials, eScience等國際期刊發表論文70余篇，論文總被引8000余次，H因子44。陳維老師課題組網頁：http://staff.ustc.edu.cn/~weichen1。

朱正新，中國科學技術大學博士生（導師為陳維教授）。2017年于中國地質大學（武漢）獲得工學學士學位，現就讀于中國科學技術大學應用化學系無機化學專業。朱正新博士專注于新型水系可充電氫氣電池的開發，以第一作者身份在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Nano lett.、Adv. Funct. Mater.、Energy Storage Mater.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Mater. Today Energy、Chem. J. Chin. Univ.等國際期刊發表論文8篇，IF>10的論文5篇，論文總被引200余次。

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【課題組招聘】

中國科學技術大學陳維教授課題組誠聘聯合博士后

一、研究方向

本課題組科研經費充足，擁有一流的工作環境，積極開放的學術氛圍和優越的國內外交流合作。陳維教授秉持著材料創新與發現的研究理念，通過材料合成、結構設計和系統創新等研究方法將課題組研究集中但不局限于：

新型水系離子儲能電池

氫氣二次電池的開發與應用

新型高能量密度電池體系

電催化劑的調控與應用

二、申請條件

身心健康、責任心強、有團隊精神、工作積極主動、創新能力強

已獲得（博士畢業三年之內）或即將獲得化學，材料，物理，化工等相關博士學位

優先考慮有電池、電催化等相關研究背景和實驗平臺搭建經驗的申請人

具有良好的英文聽說讀寫能力

近5年發表過高水平學術論文（至少1篇）

年齡不超過35周歲

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三、招聘人數：1 人

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四、崗位待遇

聘期2-3年。

工資待遇?（基礎年薪稅后35萬元以上+10萬元生活補貼（需進一步確認））：

此職位為中科大與深圳研究機構聯合招聘，工作地點是中國科學技術大學陳維課題組，開始時間靈活。

五險一金：社會保險（基本養老保險、失業保險、基本醫療保險及醫療救助保險、工傷保險、生育保險）和住房公積金。

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五、申請程序

請申請者將個人簡歷等材料發送給陳維老師（weichen1@ustc.edu.cn），郵件以“博后申請+姓名”命名。

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