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上海硅酸鹽所在鋅空氣電池高效催化劑設計方面取得新進展
發布時間: 2022-02-25 09:44 | 【 【打印】【關閉】

  基于可逆電化學氧還原和氧析出(ORR/OER) 的可充電鋅空氣電池由于其兼具高能量密度(1350 Wh kg-1)和可靠的安全性,在可再生能源存儲和新能源汽車動力系統中具有廣闊的應用前景。然而,電化學反應過程中多電子轉移引起的遲滯動力學現已成為嚴重阻礙電池能量效率提高的核心問題。因此,亟需設計高效和穩定的雙功能電催化劑。近年來,通過調整材料的物理化學性質作為催化劑的改性策略取得了一系列突破。研究表明,將合適的應變工程引入非均相催化體系以調節納米材料的原子排列和晶格間距,有利于獲得更好的催化活性、選擇性和穩定性。如何通過構筑應變工程實現高效持久的催化活性是目前開發催化劑面臨的主要挑戰。 

  基于上述問題,中國科學院上海硅酸鹽研究所張濤研究員團隊,通過Ru配位觸發ZnIn2S4ZIS)局部晶格應變,揭示了晶格應變工程和催化活性之間的構效關系。該成果以“Ru Coordinated ZnIn2S4 Triggers Local Lattice-Strain Engineering to Endow High-Efficiency Electrocatalyst for Advanced Zn-Air Batteries”為題發表在Advanced Functional MaterialsDOI: 10.1002/adfm.202110572)。論文第一作者為上海硅酸鹽所在讀博士生候志前,通訊作者為張濤研究員。 

  該研究首先通過密度泛函理論計算預測了摻雜劑RuNiZIS中的取代位點,根據形成能的大小,最終確定Ru優先取代四配位In,Ni優先取代六配位Zn。此外,局部晶格應變導致更多的電子占據Ru反鍵軌道,形成更窄的帶隙,降低了*OH去質子化的遷移能壘,從而優化了含氧中間體的吸附/解吸能力。 

  研究團隊采用快速逆傅里葉變換(IFFT 和幾何相變分析(GPA)技術進一步研究了RuNi帶來的應變效應。定量計算結果表明,與原始的ZIS相比,RuNi的引入改變了原子間的鍵長,在晶體內部分別產生了0.43%0.3%的壓縮應變。根據d-帶中心理論,原子間距離的減小使d-帶中心轉移到更高的能級,從而加強了催化劑表面與吸附物種之間的相互作用。當用作鋅空氣電池正極催化劑時,測試結果表明,負載了Ru摻雜ZISR0.1ZIS)的鋅空氣電池表現出接近理論電位的超高開路電壓(1.587 V),并且在運行262 h后仍然保持了0.71 V的超低過電位。   

  該項工作闡明了晶格應變與電催化活性之間的構效關系,同時為具備高容量、長耐久性和低過電位的鋅空氣電池高效正極催化劑的發展提供了新的思路。 

  相關研究工作得到了上海市科委和國家自然科學基金等項目的資助和支持。 

  文章鏈接: 

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202110572

1. 密度泛函理論計算及反應機理

2. R0.1ZIS、N0.1ZISZIS經過IFFTGPA處理后的解析圖

3. 負載R0.1ZIS催化劑的鋅空氣電池性能測試

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