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学术报道

唐亚文课题组在Advanced Energy Materials上发表研究论文

近日,唐亚文课题组在稀土氧化物助力高效氧催化剂方面的研究成果发表在Advanced Energy Materials (2020, 1903833, IF=24.884)上。Advanced Energy Materials是能源领域具有重要影响力的期刊之一,论文第一作者为化科院2018级硕士生李梦。相关工作收到MaterialsViews、催化计、能源学人等多个平台的报道。

能源是人类社会经济增长和社会变革的重要的物质基础。目前人类对能源的需求大部分仍来自于对化石燃料的开发利用,与之相伴,一系列环境问题接踵而来。改进能源利用技术,寻求环境友好、安全性高、性能优异的能源转换与存储装置显得尤为重要。锌-空气电池具有能量密度高、安全性好以及绿色无污染等特点,引起了研究者们的广泛关注。探寻研究高效氧催化剂是推动锌-空气电池进一步发展的关键。

稀土金属有着“工业黄金”,“工业维生素”之美称。由于稀土金属具有独特的4f亚层电子结构和极强的亲氧性,使得其在氧参与的电催化反应中拥有较好的应用前景。目前,大多数对于稀土金属氧化物基催化剂的研究集中在氧化铈掺杂上。然而氧化铈的电子传导欠佳,极大的限制了稀土在能源领域中的应用。基于此,银河在线游戏大全唐亚文教授与亚纽卡斯尔大学马天翼教授、UT-Austin付更涛博士合作,结合DFT理论计算和实际反应模型,系统研究了稀土元素钆(Gd)调控Co催化剂的价结构转变与界面电荷调控,从而实现高效催化氧反应并应用于可充放电式锌空电池中。相关结果发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201903833)上。

研究通过简便的溶胶-凝胶法,将Gd2O3-Co异质结构的粒子负载在N掺杂石墨烯气凝胶上(Gd2O3-Co/NG)。研究表明,引入Gd2O3后催化剂的氧催化活性得到了显著提高。与未加入稀土Gd的Co/NG相比,Gd2O3-Co/NG在碱性测试条件下氧还原反应半波电位提升了100 mV,并且表现出近似于商业化铂碳的塔菲尔斜率;在40000s长期运行环境下仅5%的电流衰减,显示出优异的稳定性。理论研究表明,高价的Gd2O3的引入引起了Gd2O3/Co界面处的电荷重新分布,使得催化剂电荷转移电阻降低了23 Ω,并产生了更多的活性位点,有利于促进电催化反应的进行。双电层电容测试表明Gd2O3-Co/NG双电层电容为21.5 mF cm-2,约为Co/NG催化剂1.67倍。密度泛函理论也证明了Gd2O3-Co之间的耦合有利于平衡Gd2O3-Co表面上的OOH*和OH*。将合成的催化剂进一步应用在可充放电式锌空电池中,表现出了较高的功率密度(114.3 mW cm2)、能量密度(892.7 Wh kgZn-1)和优异的长程稳定性(循环超过160圈,电池的充放电电压几乎没有变化)。这一研究结果为稀土金属在能源领域的应用提供了新的思路。

该研究工作得到了江苏省新型动力电池重点实验室、江苏省生物医药功能材料协同创新中心、生物医药功能材料国家地方联合工程中心、国家自然科学基金、江苏省优势学科建设项目等资金的支持。

文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201903833

江苏省新型动力电池重点实验室

化学与材料科学学院

2020.03.9

  • 更新时间

    2020年03月09日

  • 阅读量

  • 供稿

    化科院

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