通過(guò)光熱過(guò)渡金屬硫化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)推動(dòng)耐ji端溫度鋅-空氣電池的發(fā)展

理化（香港）有限公司2024年度優(yōu)選論文

當(dāng)前，鋰離子電池在儲(chǔ)能市場(chǎng)中占據(jù)主導(dǎo)地位，然而，現(xiàn)有的鋰離子電池技術(shù)面臨著能量密度不足（50-260 Whkg^-1）、運(yùn)營(yíng)成本高、安全隱患等挑戰(zhàn)，制約了其進(jìn)一步發(fā)展和利用。下一代能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)系統(tǒng)的更換勢(shì)在必行。

鋅空氣電池（ZABs）因其zhuo越的理論能量密度 （1086Whkg^-1）、強(qiáng)大的安全性和成本效益而成為有前途的候選者，具有巨大的研究潛力。然而，ZABs中與氧還原反應(yīng)（ORR）和析氧反應(yīng)（OER）相關(guān)的緩慢動(dòng)力學(xué)，阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。解決這些反應(yīng)中動(dòng)力學(xué)延遲的挑戰(zhàn)對(duì)于推進(jìn)ZABs實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。

近日，溫州大學(xué)陳亦皇團(tuán)隊(duì)在國(guó)際期刊《Energy & Environmental Science》發(fā)表題為《Advancing extreme-temperature-tolerant zinc–air batteries through photothermal transition metal sulfide heterostructures》重磅論文，論文研究一種由氧化石墨烯上負(fù)載的NiCo2S4@NiFe層狀雙氫氧化物（NiCo₂S₄@NiFe LDH/N-rGO）組成的光熱電催化劑。

NiCo₂S₄@NiFe LDH/N-rGO光熱電催化劑表現(xiàn)出顯著的雙功能活性，在光熱效應(yīng)的影響下，E值為0.636V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)大多數(shù)先進(jìn)體系（通常>0.68V）。在25mA cm-2的高電流密度下，基于NiCo₂S₄@NiFe LDH/N-rGO的ZABs展現(xiàn)出了驚人的循環(huán)性能，在無(wú)光照條件下達(dá)到3410次循環(huán)，在光照條件下進(jìn)一步延長(zhǎng)到了8285次循環(huán)。

此外，當(dāng)組裝柔性全固態(tài)ZABs時(shí)，光熱輔助下的可充電電池表現(xiàn)出出色的性能，包括最大功率密度（例如，25 ℃時(shí)為151.7mW cm^-2）、顯著的循環(huán)穩(wěn)定性（例如，-40℃下超過(guò)3480次循環(huán)），以及從高溫（60 ℃）到極低溫（-40℃）的zhuo越靈活性。最后，通過(guò)原位拉曼光譜和模擬研究，揭示了光熱效應(yīng)促進(jìn)羥基氧化物的生成的關(guān)鍵作用，強(qiáng)調(diào)了光熱效應(yīng)對(duì)電催化性能的有益影響。該論文研究對(duì)探索發(fā)展新型ZABs技術(shù)具有重要指導(dǎo)意義。

論文題目：Advancing extreme-temperature-tolerant zinc–air batteries through photothermal transition metal sulfide heterostructures

論文作者：溫州大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院 陳亦皇團(tuán)隊(duì)

論文期刊：《Energy & Environmental Science》

論文分區(qū)：JCR一區(qū)TOP

影響因子：32.4

論文DO1：10.1039/d4ee03240c

該論文研究使用了理化（香港）有限公司提供的DSR數(shù)字型旋轉(zhuǎn)圓盤圓環(huán)電極裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)定了NiCo₂S₄@NiFe LDH/N-rGO電催化劑的雙功能性能，以及轉(zhuǎn)移電子數(shù)與過(guò)氧化氫（H₂O₂）產(chǎn)量的測(cè)試，獲得良好的譜圖數(shù)據(jù)。   

實(shí)驗(yàn)譜圖解析

在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)人員測(cè)量了電流密度為10 mA cm^-2（E_j=10）時(shí)的電位，以評(píng)估和比較合成催化劑與基準(zhǔn)貴金屬催化劑的析氧反應(yīng)（OER）活性。

如圖a所示，NiCo?S?@NiFe LDH/N-rGO的OER活性最高，E_j=10 =1.492 V，并且在近紅外（NIR）光照下，活性進(jìn)一步提升。

在圖c中，對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試，在維持恒定電位10小時(shí)后，電流密度僅降低了12.7%，與商用RuO?催化劑（降低了23.7%）形成鮮明對(duì)比。同時(shí)，催化劑在光照10小時(shí)后也表現(xiàn)出優(yōu)異的光穩(wěn)定性，電流密度達(dá)到其初始值的89.3%。

圖d、e為ORR性能，NiCo?S?@NiFe LDH/N-rGO同樣展現(xiàn)出了較大的半波電位（E_1/2=0.809V），接近商用Pt/C催化劑的性能（E_1/2=0.834 V）。

同時(shí)，對(duì)其進(jìn)行了穩(wěn)定性測(cè)試，在10小時(shí)的ORR過(guò)程后光照下NiCo?S?@NiFe LDH/N-rGO的電流密度僅比初始值降低了6.8%。與商用Pt/C催化劑（顯著降低了27.5%）形成鮮明對(duì)比。

如圖g所示，計(jì)算得出NiCo₂S₄@NiFe LDH/N-rGO轉(zhuǎn)移的電子數(shù)約為4.0，這與通過(guò)旋轉(zhuǎn)環(huán)盤電極（RRDE）測(cè)量得出的約3.98的值非常接近。此外，值得注意的是，H₂O₂的產(chǎn)率低于1%（見圖g），這可以歸因于NiCo₂S₄@NiFe LDH/N-rGO在氧還原過(guò)程中直接生成了氫氧根離子。

真金不怕火煉，好物經(jīng)得起檢驗(yàn)！

DSR數(shù)字型旋轉(zhuǎn)圓盤圓環(huán)電極憑借出色的產(chǎn)品性能再一次助力老師同學(xué)們?nèi)〉每蒲屑芽?jī)！