刘节华教授Small观点：新型安全高功率Zn-H2O2水下电池获突破- 大数跨境

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刘节华教授Small观点：新型安全高功率Zn-H2O2水下电池获突破

科学材料站

2022-02-01

导读：该研究文章报道了一种简单的多策略协同构筑方法，实现了低成本高活性的双功能ZnCo-NC电催化剂的规模化合成，在锌-双氧水电池中获得了功率密度（442 mW cm−2）新突破。

文章信息

基于超高功率密度（445 mW cm^-2）Zn-H₂O₂水下电池的高效电催化剂的多策略协同构筑

第一作者：岳粹玉，张念

通讯作者：刘节华*

单位：合肥工业大学，中国科学院上海微系统与信息技术研究所

研究背景

锌-空气电池具有低成本、原材料丰富、能量密度高、安全和环境友好而受到广泛关注，被认为是未来动力电池应用中在技术和经济上最可行的选择之一。但是其高过电位、低功率密度以及电催化剂在高倍率工作时有限的氧扩散等普遍存在的问题仍阻碍着它们的商业化应用。

电催化剂对于阴极侧的氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)至关重要，开发实用型锌-空电池的最大挑战和瓶颈是合理设计双功能电催化剂，使其具有良好的化学稳定性，高效的氧还原（ORR）和析氧反应(OER)活性。

此外，锌-空气电池的开放式结构和需氧本质严重限制了其多场景应用。如在水下或太空等缺氧/无氧场景下，锌-空气电池便无法维持工作。因此，本篇报道了一种简单的多级调控策略，规模化合成了低成本高活性的双功能电催化剂，并成功应用于水下锌-双氧水电池，展示出了超高的功率密度和水下工作的可行性。本文对高效非贵金属电催化剂的设计具有重要的启发意义，也为安全水下动力储能装置提供了全新的候选方案。

文章简介

在这里，来自合肥工业大学的刘节华教授团队与中国科学院上海微系统与信息技术研究所张念副研究员、刘啸嵩研究员团队合作，在国际知名期刊Small上发表题为“Multi-Strategy Architecture of High-Efficient Electrocatalysts for Underwater Zn-H2O2 Batteries with Superior Power Density of 442 mW cm⁻²”的研究文章。

该研究文章报道了一种简单的多策略协同构筑方法，实现了低成本高活性的双功能ZnCo-NC电催化剂的规模化合成，在锌-双氧水电池中获得了功率密度（442 mW cm⁻²）新突破。

Figure 1. Schematic illustration of the synthetic process of ZnCo-NC-DMEA-900.

本文要点

要点一：多策略协同构筑

本文利用低成本N,N二甲基乙醇胺(DMEA)诱导合成ZnCo-ZIF前驱体，然后再对前驱体进行热处理制备了ZnCo-NC双功能电催化剂，该合成过程利用多级调控策略，路径简单，成本较低，便于大规模生产中。多级调控策略具体如下：

（1）DMEA可作为最短的双功能结构诱导剂，在DMEA-Ac离子液体中可诱导获得超细的ZnCo-ZIF纳米晶体

（2）高温碳化过程中，Zn的还原挥发会产生许多缺陷，有利于催化活性位点的构筑和金属态Co的生长

（3）由于Co具有铁磁性，加热器产生的电磁场会对其产生影响，对催化剂微观形貌进行调控，使Co基碳纳米纤维（管）发生定向生长，获得对催化剂性能有利的超细碳纳米管催化剂。

Figure 2. FESEM images of a) ZnCo-ZIF-DMEA and b) ZnCo-NC-DMEA-900; c,d) TEM images of ZnCo-NC-DMEA-900; e) HRTEM images, f) STEM image, C, Co, N, and Zn element mappings of ZnCo-NC-DMEA-900.

要点二：高效的ORR/OER催化活性

本文报道的电催化剂展示出了优秀的双功能催化活性，拥有ORR进程中极高的E_onset（1.02 V）和E_1/2（0.91V）以及OER进程中低的过电势E_j = 10（1.56 V）。该催化剂优异的ORR活性主要归功于材料表面拥有高含量吡啶N以及适量的Co-N_x，OER活性高则主要是因为多价态Co的存在。

同时，高活性的界面、独特的大比表面积和丰富的微孔结构也均有利于提高更多的有效活性位点，对催化剂催化活性的提升均有很大帮助。

Figure 3. a) CV curves of ZnCo-NC-DMEA-900 and commercial Pt/C in N2- and O2-saturated 1 m KOH electrolyte at a scan rate of 20 mV s−1; b) LSV curves in O2-saturated 1 m KOH electrolyte at 1600 rpm; c) half-wave potential and kinetic current densities at 0.80 V (vs RHE) and d) Tafel plots; e) ORR polarization curves of Pt/C and ZnCo-NC-DMEA-900 before and after 5000 CV cycles; f) The ΔE of Pt/C, ZnCo-NC-DMEA-900, ZnCo-NC-H2O-900, and Co-NC-DMEA-900.

要点三：新型锌-双氧水电池的广泛应用

在锌-空气电池的设计开发过程中，人们往往更加关注空气电极上电催化性能的提升，但却忽视了电池本身基本结构上存在的问题。

首先，作为金属-空气电池的一种，锌-空气电池需要在开放环境下工作，功率密度较低；其次，锌-空气电池是开放式结构，电解液存在泄露的可能；再者，锌-空气电池往往是从空气中直接吸附氧气参与反应，这也难以避免电解质与空气中的二氧化碳发生反应，碳酸盐产物影响氧气扩散和催化剂寿命。

特别重要的是，锌-空气电池在缺氧/无氧环境下无法工作。Zn-H₂O₂电池可以有效避免以上问题，能够实现水下或无氧环境的高功率工作。

要点四：安全型水下动力电池的新选择

我们先前的工作首次报道了新型Zn-H₂O₂电池（Cell Reports Physical Science. 2020, 1(3), 100027. DOI: 10.1016/j.xcrp.2020.100027）。本工作基于高效双功能电催化剂，实现了新型Zn-H₂O₂电池的超高的功率密度（442 mW cm⁻²）、比能量密度（966 Wh kg⁻¹）以及水下工作的安全可行性。本文报道的大功率锌-双氧水电池在新型储能和转换器件的应用方面具有很大的潜力，为扩大储能装置应用领域提供了新思路。

Figure 4. a) Schematic illustration of Zn–H₂O₂ batteries; b) Rate performance at current densities from 20–150 mA cm⁻²; c) Discharge polarization curves and the corresponding power density plots; d) Specific energy profiles at the current density of 50 mA cm⁻².

文章链接

Multi-Strategy Architecture of High-Efficient Electrocatalysts for Underwater Zn-H2O2 Batteries with Superior Power Density of 442 mW cm⁻²

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202106532

第一作者简介

岳粹玉研究生

合肥工业大学材料科学与工程学院硕士研究生，主要研究方向基于高效催化剂的新型储能器件。

张念副研究员

中科院上海微系统与信息技术研究所副研究员、硕士生导师，上海光源02B02光进光出实验站负责人。主要研究方向：新型能源材料及先进同步辐射表征技术。在Energy Environ Sci、Adv Mater、Nat commun、ACS Appl Energ Mater等期刊发表论文40余篇，授权国家专利2项。

课题组介绍

未来能源实验室：

https://www.x-mol.com/groups/FEL