施志聪/邵敏华教授: 三维六足状Co-ZIFs-S衍生的Co NPs嵌入表面修饰钌NPs的NS共掺杂碳高效催化剂用于锂氧电池- 大数跨境

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施志聪/邵敏华教授: 三维六足状Co-ZIFs-S衍生的Co NPs嵌入表面修饰钌NPs的NS共掺杂碳高效催化剂用于锂氧电池

科学材料站

2021-11-22

导读：该观点文章为新型MOFs及其衍生物的设计合成提供了一条新途径，并为高效锂-氧气电池催化剂的开发提供理论借鉴和指导。

文章信息

三维六足状Co-ZIFs-S衍生的Co纳米粒子嵌入表面修饰钌纳米颗粒的氮/硫共掺杂碳作为高效催化剂用于锂-氧气电池

第一作者：李冬冬，张倩

通讯作者：施志聪*，邵敏华*

单位：广东工业大学，香港科技大学

研究背景

非质子锂-氧气电池由于其极高的理论能量密度得到了研究人员的广泛关注。但是，LOB的开发仍然受到一些关键问题的阻碍，尤其电池阴极仍存在的关键挑战（缓慢的ORR/OER动力学、不良的电解质/O₂/催化剂三相接触界面、较差的导电性等）严重制约其进一步发展。

此外，在锂-氧气电池循环过程中，不溶性放电产物Li2O2极易严重无序积聚在阴极表面，从而影响电池循环寿命。因此，设计兼具高催化活性和三维多孔结构的高效空气催化剂是提高锂-氧气电池电化学性能的一个关键。

文章简介

基于此，来自广东工业大学的施志聪教授与香港科技大学的邵敏华教授合作，在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“3D hexapod-shaped Co-ZIFs-S derived Co nanoparticles embedded into nitrogen and sulfur co-doped carbon decorated with ruthenium nanoparticles as efficient catalyst for rechargeable lithium oxygen battery”的观点文章。该观点文章为新型MOFs及其衍生物的设计合成提供了一条新途径，并为高效锂-氧气电池催化剂的开发提供理论借鉴和指导。

图1. 3D Ru/H-Co-NSC的合成示意图

本文要点

要点一

该研究开发合成了六足状Co-ZIFs-硫脲/二甲基亚砜（H-Co-ZIFs-S）前驱体，进一步对其高温碳化及后续修饰钌纳米颗粒后得到了3D Ru/H-Co-NSC高效催化剂并用于非质子锂-氧气电池。高温热解H-Co-ZIFs-S过程中，所引入的有机硫源不仅将硫元素添加到氮掺杂碳框架中，而且有效地调节了其衍生物H-Co-NSC中Co基纳米颗粒的大小和分布，以暴露出更多的金属基活性位点。

要点二

3D H-Co-NSC不仅比表面积大和导电性好，而且构建了合适的空间（即内部多孔通道和外部三维交叉式六足状框架）用于存储不溶性放电产物Li2O2。H-Co-NSC表面修饰的Ru纳米粒子可以进一步促进锂-氧气电池中O2与Li2O2间发生的可逆反应，并极大地抑制了电池循环过程中可能发生的副反应。

要点三

DFT计算结果有力地证明了N/S共掺杂，CoN4和Ru颗粒可以协同提高催化剂催化活性，这不仅有助于促进放电产物之间的电荷传输，而且加速了ORR/OER过程的反应动力学，并伴随着锂-氧气电池中Li2O2的高效可逆形成/分解。

基于此，Ru/H-Co-NSC基锂-氧气电池展现出优异的电化学性能，如高放电比容量，低过电势和长循环寿命等。一系列原位/非原位表征技术验证了Ru/H-Co-NSC催化剂具有优异的可逆性和稳定性。

文章链接

3D Hexapod-shaped Co-ZIFs-S Derived Co Nanoparticles Embedded into Nitrogen and Sulfur co-Doped Carbon Decorated with Ruthenium Nanoparticles as Efficient Catalyst for Rechargeable Lithium Oxygen Battery

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106644

通讯作者简介

施志聪教授

厦门大学电化学专业博士，加拿大阿尔伯塔大学博士后，现任广东工业大学 “百人计划”特聘教授，博士生导师，广东工业大学新能源材料与器件系创系主任，新型电池研究所所长。担任中国硅酸盐学会固态离子学分会理事，中国化学与物理电源技术协会专家委员会委员，中国科技部和广东省科技厅“新能源汽车”重大专项评审专家。主要开展新型电池材料的应用基础研究和产业技术开发，承担国家自然科学基金项目、科技部国家重点研发计划“新能源汽车”专项重点项目、广东省科技厅产学研合作“新能源汽车”重点项目和企业委托项目20多项。发表学术论文100多篇，获得授权中国发明专利19个，培养博士后、博士生和硕士生30多人。

邵敏华教授

邵敏华博士现为香港科技大学化学与生物分子工程系教授，香港科技大学能源研究院副主任。邵博士2007年加入UTC Power负责质子交换膜燃料电池用先进的催化剂的研发以及膜电极的优化，期间主要负责和丰田汽车公司的合作，共同开发车用燃料电池先进技术，2012年被提升为UTC Technical Fellow和项目经理。2013年加入福特汽车公司，专注下一代电动车用锂离子电池的研究。2014年加盟香港科大。发表过180余篇文章，30多个国际专利申请（16项授权）。曾获得多个奖项，包括美国电化学会Supramaniam Srinivasan青年研究者奖（2014）等。是Journal of The Electrochemical Society副主编。目前主要研究方向为燃料电池、电催化、二次电池、理论模拟等。

课题组介绍

广东工业大学新型电池研究所由特聘教授施志聪博士于2014年创建，目前有教授和副教授6人，博士后和博士生7人，硕士生36人，主要开展新型锂离子电池、锂硫电池、固态电池、镁海水电池、锌空气电池、电解水制氢等能量储存和转换器件的关键材料的基础研究和产业化应用技术开发，承担国家自然科学基金项目、科技部国家重点研发计划“新能源汽车”专项重点项目、广东省科技厅产学研合作“新能源汽车”重点项目和知名电池企业委托项目20多项。

课题组招聘

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联系电子邮件：zhicong@gdut.edu.cn