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北京理工大学CEJ:5秒钟合成柔性α-MoO₃负极,助力高性能锌离子混合电容器

北京理工大学CEJ:5秒钟合成柔性α-MoO₃负极,助力高性能锌离子混合电容器 中科精研材料制备技术研究院
2024-11-15
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导语



面对日益增长的清洁能源需求,高效、安全且环保的储能技术正在全球范围内获得广泛关注。传统的锂离子电池虽具备较高的能量密度,但其在安全性和原材料可持续性方面存在明显不足。新型水系锌离子混合电容器(ZIC)以锌离子电池与超级电容器的特性为依托,成为高性能储能装置的未来之星。然而,负极材料的性能制约了ZIC的发展,特别是高效制备工艺的缺乏成为重要瓶颈。北京理工大学的研究团队开发了在5秒内快速合成α-MoO₃负极的新工艺,或将为此领域的快速进展提供强大支撑。


文章简介


2024年,北京理工大学李昕副教授和彭炯副教授在《Chemical Engineering Journal》上发表了关于“超快原位合成柔性钼酸钼(α-MoO₃)负极材料”的创新研究。研究通过微波碳热冲击法实现了5秒内在碳基底上合成α-MoO₃的目标,避免了传统工艺中复杂的反应步骤,显著缩短了制备时间并降低了能耗。该研究制备的ZIC负极材料不仅具备高比电容和优异的机械柔性,还具有在实际应用中的广阔前景。


研究亮点


    • 空气辅助微波碳热冲击合成:研究团队设计了一种全新的微波碳热冲击法,使α-MoO₃在碳布上迅速形成,仅需5秒完成反应。
    • α-MoO₃的直接形成:该方法避免了中间的亚稳态h-MoO₃相,直接获得稳定的α-MoO₃,大幅提升了合成效率。
    • 碳布表面改性:微波碳热冲击促进碳布表面的氧化,带来了多尺度缺陷和含氧官能团,提高了材料的离子可达性和电化学性能。
    • 卓越的电化学表现:制备的α-MoO₃/碳布负极比电容达2300 mF/cm²,展现出优异的循环稳定性和倍率性能。
    • 柔性锌离子微型电容器构建:基于该材料制备的ZIMC电容器在实际应用中表现出良好的机械稳定性和电化学特性,为柔性储能器件的发展提供了新的方向。


    图文导读


      图1:展示了α-MoO₃/碳布复合材料的合成过程和结构特征。
      a)为合成示意图;b)为光滑的原始碳布;c)和d)显示了复合材料的形貌和成分分布;e)为元素分布图,证实Mo元素均匀分布。

      图2:描述了复合材料的表面化学组成。
      a)表面含氧官能团;b)ID/IG比值提高,表明缺陷增加;c-f)为XPS谱图和亲水性测试结果。

      图3:对比了微波碳热冲击和传统水热法制备过程中的反应路径和温度依赖性。

      图4:展示了复合材料的电化学性能
      a-c)显示CV和GCD曲线;d)为倍率性能和循环稳定性表现;f)为Nyquist图,表明其电子传输与离子扩散性能优异。
      图5:基于α-MoO₃/碳布复合材料构建的ZIMC展示了其在实际应用中的潜力。
      a)为微型电容器的结构示意,b-c)为CV曲线,d)为倍率性能测试结果。


      总结与展望


      该研究创新性地提出了空气辅助微波碳热冲击法,在仅需5秒的超短时间内快速合成α-MoO₃负极材料。这一方法成本低、操作简便,使制备的α-MoO₃负极材料拥有优异的电化学性能和机械稳定性,为柔性ZIC的开发提供了全新思路。



      深圳中科精研科技有限公司(以下简称“中科精研”)致力于为高端科研和工业应用提供领先的高温焦耳加热技术解决方案。公司专注于高温超快速加热技术的研发,特别在焦耳加热领域拥有自主创新的核心技术,广泛应用于催化剂合成、材料处理及电子设备等领域。

      焦耳加热技术

      中科精研的焦耳加热装置能够通过电流通过导体时产生的焦耳热快速加热物质,且加热过程可控、稳定。通过精准的温度控制和快速加热性能,使得催化剂合成、金属热处理及材料烧结等过程更加高效、安全。这一技术广泛应用于高温实验、材料科学研究和工业生产,尤其适用于高熵合金、催化剂制备等对温控要求苛刻的领域。

      高温焦耳冲击加热装置

      中科精研的高温焦耳冲击加热装置是目前业界领先的技术之一,能够实现瞬时温度升高,极大缩短实验时间。这一设备可应用于非贵金属催化剂、高熵材料以及超高温处理等多种科研和工业应用,能够精确控制加热速率和峰值温度。通过优化的热管理系统,这种加热装置在保证加热效果的同时,还能最大程度减少能量损失,提升整体效能。

      产品特色

      1. 高效加热:中科精研的焦耳加热装置能够实现极短时间内的高效加热,减少实验过程中的等待时间,显著提高实验效率。
      2. 精准控温:设备内置精密的温度传感器和反馈控制系统,可以实现对加热过程的精确控制,满足高精度实验要求。
      3. 稳定性与安全性:得益于先进的硬件设计和智能控制系统,中科精研的焦耳加热设备在长期使用中仍能保持稳定性能,并具备多重安全保护措施,有效避免过热、过载等风险。
      4. 智能化与自动化:产品配备智能操作界面,可以进行自动化操作、实时监测温度变化,并生成实验数据报告,方便科研人员进行数据分析和后续研究。


      应用领域

      • 催化剂合成:中科精研的高温焦耳加热装置广泛应用于非贵金属催化剂的合成过程,尤其在高熵氧化物催化剂的研究中,通过精确加热和快速温度响应,优化了催化剂的合成条件,提高了催化性能。
      • 材料科学与金属处理:该技术同样适用于合金材料的烧结、热处理及表面处理过程,能够有效提高材料的性能,优化材料结构。
      • 新能源研究:在燃料电池、太阳能电池等新能源领域,焦耳加热技术可以用于高效催化剂的制备与优化,推动相关领域的技术进步。
      • 电子设备:高温焦耳加热设备还在微电子、半导体制造等精密工艺中得到广泛应用,通过控制高温过程确保设备组件的稳定性和精度。


      中科精研将继续深化焦耳加热技术的研发与应用,推动新能源、材料科学、电子技术等领域的创新发展。未来,随着技术不断升级,公司的高温焦耳加热装置将不仅限于科研实验,还将在更多工业应用中发挥重要作用,为全球用户提供更加高效、智能、绿色的技术解决方案。


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