渤海大學蔡克迪-郎笑石團隊 J Energy Storage： 設計一種新型桑椹狀 Ag/AgCl@TiO2/V2O5-x 復合材料，可作為長壽命鉀氧電池的穩定催化劑

【研究背景】

金屬空氣電池因其具備較高的比容量而受到廣泛關注，其中鋰氧電池的研究 進入了一個“瓶頸期 ”，因此，研究人員紛紛把目光投向與鋰同一主族的鈉和鉀。 然而，鈉氧電池的放電產物 NaO₂?非常不穩定，會不受控制的轉變成 Na₂O₂?，這 種寄生反應很難控制。相比之下，鉀氧電池的放電產物 KO₂?無論在熱力學和動 力學上都很穩定，其形成和分解更可逆。但仍有很多問題阻礙著鉀氧電池的實際 應用，比如鉀離子和氧氣的轉移率較低等。TiO₂?和 V₂O₅?被認為是金屬氧氣電池 的優良催化劑，TiO₂?可以加速鉀離子的轉移，V₂O_5-x?不僅會促進 O₂?的轉化，還 可以降低充電電位。Ag 是催化性能非常優良的貴金屬，AgCl 則具有優異的析氧性能。通過以上材料合理的結構設計可有效的提升鉀氧電池的電化學性能。

【文章簡介】

近日，渤海大學蔡克迪教授、郎笑石副教授、張曉民研究生通過簡單的水熱法及水浴法合理的設計了一種新型桑葚狀Ag/AgCl@TiO₂/V₂O_5-x?復合陰極催化劑， 并將其用于鉀氧電池上。復合催化劑以其多組分物質形成的活性界面對鉀氧電池? 進行多方位調控，TiO₂?增加了 K+插入的速率和能力，具有缺氧結構的 V₂O_5-x?吸? 引更多的 O₂?轉變成 O₂^-?，促進其與 K⁺?的結合，進而促進放電產物 KO₂?的形成。? AgCl 具有較高的 OER 催化活性。Ag 的加入允許更多的電子從集電極轉移到電? 極表面，增強了材料的電導率。通過掃描電鏡和透射電鏡的測試，證明了桑葚狀? 的樣貌和活性界面的形成。N₂?吸脫附曲線測試則是表明該復合陰極催化劑具有? 較大的比表面積，可以提供更多的催化活性位點。在 0.02mA/cm²?的電流密度下， 由該復合陰極催化劑所裝配的鉀氧電池具有 1391.72mAh ·g^-1?的首次放電容量和接 近 80?? 次 的 長 循 環 壽 命 。 相 關 成 果 以 《 A ??novel?? mulberry-like Ag/AgCl@TiO₂/V₂O_5-x??composite as a stable catalyst for long-life potassium- oxygen batteries》在國際著名期刊《Journal of Energy Storage》上發表。

（a ）Ag/AgCl@TiO₂/V₂O_5-x?材料的合成示意圖

（a-c?）10%?Ag/AgCl@TiO₂/V₂O_5-x?，15%?Ag/AgCl@TiO₂/V₂O_5-x?，20%?Ag/AgCl@TiO₂/V₂O_5-x的 SEM 圖

（d）15% Ag/AgCl@TiO₂/V₂O_5-x?的 EDS 圖

（e-f）15% Ag/AgCl@TiO₂/V₂O_5-x?的 TEM 和 HRTEM 圖

（a?）Ag/AgCl@TiO₂/V₂O_5-x?系列材料的?XRD 圖

（b）Ag/AgCl@TiO₂/V₂O_5-x?系列材料的 Raman 圖

（a ）Ag/AgCl@TiO₂/V₂O_5-x?系列材料的 CV 曲線

（b-c ）Ag/AgCl@TiO₂/V₂O_5-x?系列材料的 LSV 曲線和 Tafel 斜率

（c-e?）Ag/AgCl@TiO₂/V₂O_5-x?系列材料的交流阻抗圖及線性擬合圖

（f）15% Ag/AgCl@TiO₂/V₂O_5-x?的氧分壓阻抗圖

（a ）15% Ag/AgCl@TiO₂/V₂O_5-x?的 Ti 、V 、O 、Ag 、Cl 、C 的 XPS 圖譜

（b）15%?Ag/AgCl@TTiO₂/V₂O_5-x?的?Ti 2p 的?XPS 圖譜

（c ）15% Ag/AgCl@TiO₂/V₂O_5-x?的 V 2p 的 XPS 圖譜

（d）15% Ag/AgCl@TiO₂/V₂O_5-x?的 Ag 3d 的 XPS 圖譜

（e ）15% Ag/AgCl@TiO₂/V₂O_5-x?的 O1s 的 XPS 圖譜

（f）15% Ag/AgCl@TiO₂/V₂O_5-x?的?N₂?吸附/解吸等溫線和孔隙分布（插圖）

（a ）Ag/AgCl@TiO₂/V₂O_5-x?系列材料的放電曲線

（b-d）Ag/AgCl@TiO₂/V₂O_5-x?系列材料在?0.02mA/cm²?的電流密度下限容?200mAh ·g^-1?的典型的放電/充電曲線

（e ）Ag/AgCl@TiO₂/V₂O_5-x?系列材料所裝配電池的循環穩定性

【成果介紹】

成功構建了一種具有高催化活性的新型桑椹狀 Ag/AgCl@TiO₂/V₂O_5-x?復合材料。其粗糙 和多顆粒形態具有較大的催化比表面積，作為一個有吸引力的催化高性能 K-O₂? 電池材料， 它證實了 V2O5-x?缺氧結構吸引更多的 O₂?轉變成 O₂^??。TiO₂?的加入提高了 K+?的插入率，促進 KO₂?的形成，從而加速反應動力學。 由 TiO₂?和 V₂O_5-x?組成的活性界面也能有效促進界面電? 荷轉移，Ag 元素部分以 AgCl 的形式增強了材料的 OER 和 ORR 活性，并調節了其電子結? 構。另一部分以 Ag 納米顆粒的形式提高了電導率，貴金屬的加入不僅會提高材料的電導率， 而且會提高氧的結合能，有利于電子轉移，從而促進超 KO₂?的形成，同時降低 KO₂?的分解? 能壘，實現 O_2?的快速擴散。它們明顯分裂，但同時發揮著協同作用。與單一金屬催化劑相比，多種金屬催化劑可以發揮協同催化作用， 以提高鉀氧電池的電化學性能。桑葚狀Ag/AgCl@TiO₂/V₂O_5-x?復合材料作為?K-O₂?電池的陰極催化劑不僅具有高催化活性，還能解決氧化還原動力學差的問題，同時也為商業金屬空氣電池的開發和應用提供了新的思路。

【作者簡介】

張曉民，渤海大學 2021 級碩士研究生，主要致力于鉀氧電池體系復合電極的調控、設計及電化學性能研究。自入學以來榮獲渤海大學文體活動積極分子等榮譽稱號，在?Journal of Energy Storage? 期刊上發表 SCI 論文 1 篇，以第二作者的身份發表論文 2 篇。

郎笑石，博士，副教授，碩士生導師，2015? 年 7? 月畢業于哈爾 濱工業大學化學工程與技術專業并獲工學博士學位。目前在渤海大學 化學與材料工程學院任教，加入先進化學電源研究所從事鋰硫電池、 鉛酸電池、鋰離子電池、鋰空氣電池以及超級電容器等領域研究。近 年來，主持或參與國家及省部級以上項目 10 余項。先后在 Journal of Power Sources 、Composites Part B-Engineering? 等期刊發表學術論文? 30? 余篇，其中 ESI? 高被引論文 3? 篇。申請或授權國家發明專利 20 余項，并獲遼寧省自然科學學術成果獎三等獎 1? 項，錦州市自然科學學術成果獎一等獎 1? 項，出版學術專著 2? 部。

蔡克迪，教授、博士生導師，遼寧特聘教授，興遼英才計劃“ 青 年拔尖人才” ，遼寧省百千萬人才工程“ 百人層次” 。獲中國產學研合 作創新獎（2018 年），遼寧青年科技獎（2019 年），遼寧省優秀科 技工作者（2022 年）。現任渤海大學化學與材料工程學院副院長， 電化學儲能材料與技術研究所所長。中國超級電容器產業聯盟青年理事，中國材料研究學會青年工作委員會理事，中國化學會高級會員，國家自然科學基金函評專家，教育部學位中心評審專家，多省市科技獎評審專家。

近年來，主要從事能源化學與能源材料領域的基礎應用研究，先 后主持了國家自然科學基金、中國博士后基金、遼寧省科技廳重點研 發計劃等 20 余項國家及省部級課題 ，先后在 Composites Part B 、 Journal of Energy Chemistry、ACSAMI 等國內外學術期刊上發表論文 100 余篇，其中 5 篇文章入選 ESI 高被引論文、4 篇文章入選 ESI 熱 點論文。申報 82 項國家專利、2 項國際專利，其中授權 76 項（第一 發明人 34 項），科技成果轉化 4 項，直接或間接經濟利潤近千萬元，參與制定團體標準 2 項，主編《化學電源技術》等學術著作 3 部。

文章信息：A novel mulberry-like Ag/AgCl@TiO2/V2O5-x composite as a stable? catalyst? for? long-life? potassium- oxygen? batteries,? Journal? of Energy Storage 75 (2024) 109590

DOI:10.1016/j.est.2023.109590

文章鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2352152X23029882

供稿人：張曉民