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磁性過渡金屬-多孔碳納米纖維催化材料的簡單制備方法
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鋅空氣電池作為一種清潔能源,由于其高能量密度和高安全性,在可持續(xù)儲能領域顯示了廣闊的發(fā)展前景。

然而,鋅-空氣電池面臨諸如穩(wěn)定性差和功率密度低的問題,這與空氣陰極催化反應密切相關(guān)。

傳統(tǒng)的貴金屬催化劑具有出色的電催化活性。

然而,高成本和差的穩(wěn)定性限制了它們的大規(guī)模應用。

因此,具有優(yōu)異的催化活性和穩(wěn)定性的非貴金屬催化劑的進一步開發(fā)已經(jīng)成為重要的挑戰(zhàn)。

過渡金屬多孔碳納米纖維材料具有豐富的孔隙和電子結(jié)構(gòu),低成本,可調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)以及許多催化活性位點,在取代貴金屬催化劑方面顯示出廣闊的應用前景。

然而,多孔碳納米纖維的合成是復雜的,并且過渡金屬容易附聚,這使得難以進一步提高其催化活性。

針對上述問題,東華大學紡織科技創(chuàng)新中心的于建勇院士,丁斌研究員,嚴建華研究員提出了一種原位電紡絲技術(shù),該技術(shù)直接將金屬鈷納米點(CoNPs)摻入大孔碳納米管中。

點原位。

在纖維中,制備了具有高孔隙率(90%)的磁性催化劑,并且“磁增強”被制備成具有高孔隙率的磁性催化劑。

策略是創(chuàng)新提出的。

利用磁性催化劑的特性,通過中等(350mT)的外部磁場可以增強催化活性。

。

相關(guān)結(jié)果“用電磁感應的電磁催化劑直接增強電磁催化ORR / OER”。

該論文于2020年12月在國際知名期刊《先進材料》上在線發(fā)表。

論文的共同通訊作者是嚴建華研究員和丁斌研究員。

圖1是示出磁性催化劑的制備及其催化增強機理的圖。

在外部磁場的作用下,磁性CoNPs首先被磁化成納米磁鐵,在大孔周圍形成各向同性的磁疇,促進電解質(zhì)和O2的擴散,并增加氧中間體的吸附。

此外,碳納米纖維的多孔結(jié)構(gòu)在內(nèi)部空間中形成磁渦旋,從而促進了某些Co電子從低旋向高旋的躍遷,并在其3d軌道中產(chǎn)生更多不成對的電子。

同時,CoNPs自旋磁矩的增加可以減小電子轉(zhuǎn)移活化能壘,從而在氧析出還原反應中提供更有效的四電子轉(zhuǎn)移過程,并提高氧催化活性。

圖1.磁性碳納米纖維催化劑(MCN)的合成方法和氧催化活性的磁性增強機理。

(a)通過溶膠-凝膠電紡絲和熱解制備柔性多氯化萘的示意圖; (b)對ORR和OER中的磁增強的描述; (c)Co從低自旋向高自旋的電子躍遷; (d)氧氣產(chǎn)生和還原反應中的四電子轉(zhuǎn)移過程。

圖2顯示了外部磁場在鋅空氣電池中ORR / OER的增強結(jié)果。

在外部磁場的作用下,MCN的ORR的半波電勢增加了20mV,OER響應在10mA / cm2時的過電勢也降低了15mV。

更重要的是,MCN催化劑可直接用作鋅-空氣電池的雙功能催化劑。

與市售Pt / C + IrO2催化劑相比,其容量增加了2.5倍,充放電壽命超過155小時。

圖2.在磁場作用下MCN的催化結(jié)果和電池顯示。

(ab)帶有和不帶有外部磁場的MCN電極的ORR和OER測試的LSV曲線; (c)基于MCN和Pt / C + IrO2的鋅空氣電池的放電極化曲線和功率密度; (d)基于MCN的Pt / C + IrO2在2mA / cm2的鋅-空氣電池的長期循環(huán)性能(e)電池展示摘要作者成功開發(fā)了一種磁性過渡金屬-多孔碳納米纖維催化的簡單制備方法提出了一種“磁增強”策略來實現(xiàn)可充電鋅空氣電池的直接磁增強,這為在磁場領域?qū)崿F(xiàn)外部磁場的磁極化增強提供了更多有趣的可能性。

能量存儲和轉(zhuǎn)換。

進一步發(fā)展具有重要的指導意義。

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