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广东工业大学《ACS AEM》:原位剥离的石墨烯样碳纳米片与生物炭管紧密耦合,作为可应用型锌空气电池的阴极

 

放大字体  缩小字体 发布日期:2022-11-04  浏览次数:375
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锌-空气电池(ZAB)是新一代的储能和转换装置,但其应用仍然受到阴极材料缓慢的氧还原反应(ORR)动力学的阻碍。本文,广东工业大学余林教授团队在《ACS AEM》期刊发表名为“In Situ Exfoliated Graphene-Like Carbon Nanosheets Strongly Coupled with the Biochar Tube as the Cathode for an Application-Ready Zn-Air Battery”的论文,研究提出一种从生物炭管中原位剥离石墨烯状碳纳米片(GCNs)的方法,该方法将碳活化、碳化和N掺杂结合在一个单锅过程中。剥落的GCNs具有显著的半波电位(0.85 V @ 3 mA cm-2)和对NPC-900的ORR的高稳定性,优于大多数报道的N掺杂碳材料。在实际应用方面,使用三维(3D)打印设备模拟组装了三种不同形式的ZAB,用于不同的实际应用场景。这项工作提供了一种简单和可持续的方法来合成具有优良ORR性能的N掺杂生物炭催化剂,为其作为ZAB阴极的应用提供了广阔的潜力。

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图1.用饱和NH4Cl水溶液浸泡后,通过PC的一步热解制备N掺杂碳管的示意图。

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图2.(a)PC的SEM;(b) PC-900的扫描电镜;(c) NPC-900的扫描电镜;(d,e)GCN的TEM;(f) GCN的HRTEM;(g) SAED模式;(h) 映射区域的HAADF-STEM图像(白色正方形);以及(i–l)C、O和N的相应元素映射。

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图3.(a)XRD图;(b) 拉曼光谱;(c) PC-900和NPC-X的XPS测量光谱;(d) NPC-800的N 1s;(e) NPC-900的N 1s;和(f)NPC-1000的N 1s。

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图4.(a)PC基碳的变异系数(CV)曲线;

 

(b) NPC-900在N2和O2饱和的0.1M KOH水溶液中的CV曲线;
(c) 1600 rpm下所有样品的LSV曲线;
(d) 塔菲尔斜坡;
(e) 1600 rpm时的RRDE;
(f) H2O2产率和电子转移数;
(g) NPC-900和Pt/C在0.5V(vs RHE)下在O2饱和的0.1M KOH水溶液中在400rpm下的ORR的计时安培曲线;
(h,i)NPC-900的N2吸附/解吸等温线和相应的孔径分布。
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图5. 组装的液体ZAB

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图6.(a)柔性ZAB示意图;(b) 适用于3D打印风车的灵活ZAB;(c) 按钮ZAB示意图;(d) 应用于3D打印模型车的按钮单元;(e) 柔性和纽扣电池ZAB在1、2和5 mA cm–2的不同电流密度下的放电电压曲线;(f) 柔性和纽扣电池ZAB的极化和功率密度曲线。

 

本研究结合了成本效益高的生物质材料和获得具有优异ORR能力的N掺杂生物炭催化剂的简单策略,这为从天然材料合成具有高商业应用潜力的低成本和优异ORR碳催化剂提供了路线图。

 

文献:https://doi.org/10.1021/acsaem.2c02976

 

 
 
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