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學術報道

唐亞文課題組在Advanced Energy Materials上發表研究論文

近日,唐亞文課題組在稀土氧化物助力高效氧催化劑方面的研究成果發表在Advanced Energy Materials (2020, 1903833, IF=24.884)上。Advanced Energy Materials是能源領域具有重要影響力的期刊之一,論文第一作者為化科院2018級碩士生李夢。相關工作收到MaterialsViews、催化計、能源學人等多個平臺的報道。

能源是人類社會經濟增長和社會變革的重要的物質基礎。目前人類對能源的需求大部分仍來自于對化石燃料的開發利用,與之相伴,一系列環境問題接踵而來。改進能源利用技術,尋求環境友好、安全性高、性能優異的能源轉換與存儲裝置顯得尤為重要。鋅-空氣電池具有能量密度高、安全性好以及綠色無污染等特點,引起了研究者們的廣泛關注。探尋研究高效氧催化劑是推動鋅-空氣電池進一步發展的關鍵。

稀土金屬有著“工業黃金”,“工業維生素”之美稱。由于稀土金屬具有獨特的4f亞層電子結構和極強的親氧性,使得其在氧參與的電催化反應中擁有較好的應用前景。目前,大多數對于稀土金屬氧化物基催化劑的研究集中在氧化鈰摻雜上。然而氧化鈰的電子傳導欠佳,極大的限制了稀土在能源領域中的應用?;诖?,南京師范大學唐亞文教授與亞紐卡斯爾大學馬天翼教授、UT-Austin付更濤博士合作,結合DFT理論計算和實際反應模型,系統研究了稀土元素釓(Gd)調控Co催化劑的價結構轉變與界面電荷調控,從而實現高效催化氧反應并應用于可充放電式鋅空電池中。相關結果發表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201903833)上。

研究通過簡便的溶膠-凝膠法,將Gd2O3-Co異質結構的粒子負載在N摻雜石墨烯氣凝膠上(Gd2O3-Co/NG)。研究表明,引入Gd2O3后催化劑的氧催化活性得到了顯著提高。與未加入稀土Gd的Co/NG相比,Gd2O3-Co/NG在堿性測試條件下氧還原反應半波電位提升了100 mV,并且表現出近似于商業化鉑碳的塔菲爾斜率;在40000s長期運行環境下僅5%的電流衰減,顯示出優異的穩定性。理論研究表明,高價的Gd2O3的引入引起了Gd2O3/Co界面處的電荷重新分布,使得催化劑電荷轉移電阻降低了23 Ω,并產生了更多的活性位點,有利于促進電催化反應的進行。雙電層電容測試表明Gd2O3-Co/NG雙電層電容為21.5 mF cm-2,約為Co/NG催化劑1.67倍。密度泛函理論也證明了Gd2O3-Co之間的耦合有利于平衡Gd2O3-Co表面上的OOH*和OH*。將合成的催化劑進一步應用在可充放電式鋅空電池中,表現出了較高的功率密度(114.3 mW cm?2)、能量密度(892.7 Wh kgZn-1)和優異的長程穩定性(循環超過160圈,電池的充放電電壓幾乎沒有變化)。這一研究結果為稀土金屬在能源領域的應用提供了新的思路。

該研究工作得到了江蘇省新型動力電池重點實驗室、江蘇省生物醫藥功能材料協同創新中心、生物醫藥功能材料國家地方聯合工程中心、國家自然科學基金、江蘇省優勢學科建設項目等資金的支持。

文章鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201903833

江蘇省新型動力電池重點實驗室

化學與材料科學學院

2020.03.9

  • 更新時間

    2020年03月09日

  • 閱讀量

  • 供稿

    化科院

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