2019-11-21
目前，研究室胡文彬教授、钟澄教授团队通过一种快速、简单、连续的方法制备出一种可编织的柔性线状锌空电池;同时，团队还设计制备了一种具有高效氧还原与氧析出催化性能的原子级厚度的介孔Co3O4/N-rGO(介孔四氧化三钴/氮掺杂氧化还原石墨烯)复合纳米片。以该复合纳米片作为催化剂的柔性线状锌空电池表现出优异的性能。
该工作以封面文章的形式发表在Wiley旗下的期刊《先进材料》(Advanced Materials)上，见图1。该研究发现：1)Co3O4纳米片与N-rGO纳米片的原位复合显著提高了复合材料的导电性，有利于氧还原与氧析出过程中的电子传输;2)Co3O4纳米片与N-rGO纳米片间强烈的耦合、协同作用改变了复合材料的电子结构，加速了氧介质的吸附/脱附过程;3)复合材料的原子级厚度、介孔特性不仅有利于更多活性位点的暴露，而且利于加快传质过程;4)以复合材料做作为催化剂的柔性线状锌空电池具有高达649 Wh/kg 的质量能量密度，36.1 mWh/cm3的超高体积能量密度，展现出优异的充放电性能，在3 mA/cm3的充放电电流密度下，放电电压1.2 V，充电电压2 V;5)柔性线状锌空电池具有良好的抗外力破坏特性，在编入织物中后仍然能够稳定工作，通过串并联连接得到的柔性锌空电池组能够驱动电子器件和给iPhone手机充电。
该文章的创新点如下：1)Co3O4纳米片与N-rGO纳米片的原位复合显著提高了复合材料的导电性，有利于氧还原与氧析出过程中的电子传输;2)Co3O4纳米片与N-rGO纳米片间强烈的耦合、协同作用改变了复合材料的电子结构，加速了氧介质的吸附/脱附过程;3)复合材料的原子级厚度、介孔特性不仅有利于更多活性位点的暴露，而且利于加快传质过程;4)以复合材料做作为催化剂的柔性线状锌空电池具有高达649 Wh/kg 的质量能量密度，36.1 mWh/cm3的超高体积能量密度，展现出优异的充放电性能，在3 mA/cm3的充放电电流密度下，放电电压1.2 V, 充电电压2 V;5)柔性线状锌空电池具有良好的抗外力破坏特性，在编入织物中后仍然能够稳定工作，通过串并联连接得到的柔性锌空电池组能够驱动电子器件和给iPhone手机充电。
文献链接：Atomically Thin Mesoporous Co3O4 Layers Strongly Coupled with N-rGO Nanosheets as High-Performance Bifunctional Catalysts for 1D Knittable Zinc–Air Batteries (Advanced Materials, 2018, DOI: 10.1002/adma.201703657)
【图文导读】
图1. 相关工作作为封面论文发表
图2. 柔性线状锌空电池及原子级厚度介孔Co3O4/N-rGO复合纳米片制备示意图
图3. (a)复合纳米片的TEM图;
(b)复合纳米片的高分辨TEM图和相对应的选区电子衍射(SAED);
(c)复合纳米片边缘的扫描TEM图和相对应的C，N，Co和O元素分布图;
(d)复合纳米片的原子力显微镜图(AFM)和相对应的高度曲线;
(e)商业Co3O4，N-rGO 和复合纳米片的拉曼图谱(插图为150−750 cm–1波长范围放大图谱);
(f)Co3O4纳米片和复合纳米片的X射线光电子能谱(XPS)(插图为复合纳米片N的1s分峰图);
(g)商业Co3O4，N-rGO 和复合纳米片的Co的K边XANES图(插图为Co的K边EXAFS振动曲线);
(h)相对应的傅里叶变换图;
(i)N-rGO 和复合纳米片C的K边XANES曲线(插图为Co的XANES曲线)。
图4.(a)六种样品对比的氧还原反应(ORR)极化曲线;
(b)相对应的塔菲尔曲线;
(c)复合纳米片在不同旋转速度下的ORR曲线(插图为相对应的不同电压下Koutecky-Levich曲线);
(d)旋转圆盘电极和旋转圆环电极电流曲线(插图为相对应不同电压下的电子转移数和过氧化物百分数);
(e)六种样品对比的氧析出反应(OER)极化曲线;
(f)相对应的塔菲尔曲线;
(g)六种样品对比的ORR和OER曲线;
(h)2000次循环前后商业铂碳(Pt/C)和复合纳米片的ORR曲线;
(i)OER反应下的RuO2和复合纳米片的计时电流曲线。
图5.(a)Pt/C + RuO2和复合纳米片作为催化剂的柔性线状锌空电池的充放电极化曲线;
(b)3 mA cm−3电流密度下的恒电流充放电循环曲线(插图为Pt/C + RuO2和复合纳米片作为催化剂的EIS曲线);
(c)复合纳米片作为催化剂的柔性线状锌空电池变电流放电曲线;
(d)复合纳米片作为催化剂，不同长度的柔性线状锌空电池的容量曲线(插图为6 mA cm−3电流密度下不同长度柔性线状锌空电池放电曲线);
(e)单个电池和串联、并联电池的恒电流充放电循环曲线(插图为单电池，两个电池串联和两个电池并联的EIS曲线);
(f)复合纳米片作为催化剂的柔性线状锌空电池的体积能量密度和已有一维能量存储体系对比图。
图6.(a)柔性线状锌空电池的长度测量照片;
(b)柔性线状锌空电池的直径测量照片;
(c)开路电位(OCP)测试照片(插图为柔性线状锌空电池的截面SEM图);
(d)柔性线状锌空电池在不同状态下的恒电流充放电循环曲线;
(e)三个柔性线状锌空电池串联的OCP照片;
(f，g)点亮LED手表照片;
(h，i)点亮LED屏幕照片;
(j)给iPhone手机充电照片。
