編號(hào)：CYYJ02788
篇名：中空四氧化三鈷納米球鑲嵌的氮摻雜多孔碳納米纖維:鋰-氧電池氧電極雙功能催化劑
作者：陳宏彬 葉雅倩 陳鑫智 張利利 劉國(guó)學(xué) 王素清 丁良鑫
關(guān)鍵詞： 鋰氧電池 雙功能催化劑 四氧化三鈷 氮摻雜碳纖維 氧還原反應(yīng) 析氧反應(yīng)
機(jī)構(gòu)： 華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院
摘要： 隨著全球人口數(shù)量快速增長(zhǎng)和科技不斷進(jìn)步,對(duì)能源需求逐步增加,但化石能源日漸枯竭,同時(shí)環(huán)境問題日趨嚴(yán)重.因此,亟需開發(fā)新型、綠色、高效的能源以及能源裝置,以保障清潔能源的可持續(xù)利用.鋰-氧電池因其能量密度高、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)受到了人們的廣泛關(guān)注,并被認(rèn)為是替代鋰離子電池的新儲(chǔ)能系統(tǒng)之一.然而,對(duì)于鋰-氧電池仍需解決諸如能量密度低于理論值、倍率性能差和循環(huán)壽命短等難題.開發(fā)高效穩(wěn)定的氧電極催化劑是解決上述問題的關(guān)鍵手段之一.在眾多潛在的過渡金屬氧化物催化劑中,四氧化三鈷因其地殼豐度高、成本低和性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)成為研究熱點(diǎn).本文采用靜電紡絲技術(shù),結(jié)合熱處理技術(shù),成功制備了中空四氧化三鈷納米球鑲嵌的多孔碳納米纖維復(fù)合催化劑(H-Co3O4-CNFs),系統(tǒng)地研究了其氧還原反應(yīng)(ORR)和析氧反應(yīng)(OER)的電催化性能,以及作為鋰-氧電池正極催化劑的電化學(xué)性能.結(jié)果表明,在堿性電解質(zhì)中,H-Co3O4-CNFs具有較好的ORR/OER活性,展現(xiàn)出較好的雙功能催化性能.H-Co3O4-CNFs作為鋰-氧電池的氧電極催化劑材料,在100 mA g‒1電流密度下的過電位為1.35 V,電池的放電比容量達(dá)到6134 mAh g‒1;當(dāng)電流密度增加至800 mA g‒1時(shí),放電比容量仍能保持68.5%.在充放電電流密度為100 mA g‒1,限制容量為500 mAh g‒1的條件下,電池能保持150圈的穩(wěn)定循環(huán).H-Co3O4-CNFs催化劑較好的催化性能可歸因于:(1)氮摻雜的多孔碳纖維具有良好的導(dǎo)電性和快速的電子傳輸能力;(2)多孔結(jié)構(gòu)增大了電解液和催化劑活性位點(diǎn)的接觸面積,并為放電產(chǎn)物過氧化鋰的形成和分解提供了場(chǎng)所.另外,其良好的循環(huán)性能得益于裸露的Co3O4和嵌入纖維中的Co3O4形成的兩種獨(dú)立活性位點(diǎn),這使其在ORR和OER過程中均有可用的催化活性位點(diǎn),并在放電和充電過程中交替發(fā)揮作用.綜上,本文研究結(jié)果為高效氧電極催化劑的設(shè)計(jì)提供了新思路。
