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[材料资讯] 张如范课题组在高性能锌-空气电池和水电解三效催化剂制备方面取得重要进展

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发表于 2021-11-17 07:00:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
近日,清华大学化工系张如范副教授课题组在锌-空气电池体系提出了一种双相耦合构筑RuCoOx双金属氧化物的策略,首次将氧还原反应、氧析出反应和氢析出反应三种活性位点集成,显示出优异性能。相关工作以“RuCoOx nanofoam as a high-performance trifunctional electrocatalyst for rechargeable zinc-air batteries and water splitting”为标题在国际纳米科技领域著名期刊《Nano Letters》上报道。
       随着碳达峰与碳中和目标的提出,开发大规模、低成本的清洁能源生产与储存技术成为关键。在可充电锌-空气电池、电解水、燃料电池等新能源器件中,氧还原(ORR)和氧析出(OER)是可充电锌-空气电池中的两个关键反应,氧析出(OER)和氢析出(HER)HER是电解水的核心反应。这三个都涉及多电子转移反应,都具有动力学缓慢特征,导致所需过电位偏大。在可充电锌-空气电池中需要使用ORR/OER双功能电催化剂来满足阴极工作需求;而在电解水器件中使用OER/HER双功能电催化剂可显著降低成本。然而,将多种、不同的活性位集成在同种催化剂中技术难度很大。

电池

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图1. RuCoOx双金属氧化物的制备过程及其微观结构。

电池

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图2. RuCoOx催化剂的综合催化性能。
        针对目前贵金属基催化剂非常昂贵、非贵金属催化剂稳定性不佳的缺点,张如范课题组选取RuO2和Co3O4作为两种活性组分,通过一种简便的“葡萄糖吹泡法”成功制得纳米泡沫状RuCoOx双金属氧化物。该催化剂宏观上呈现出纳米泡沫状结构,而微观上由RuO2和Co3O4两相组成。由于两相间的强耦合作用形成了利用电子转移优化的协同结构,显著提升了催化剂性能,同时还抑制了催化剂晶粒在长时间反应中的熟化长大效应,显著提升了催化剂的稳定性。基于此, RuCoOx不仅在催化层面上表现出优异三功能电催化性能,同时在器件层面上具有十分出色的性能。特别是在可充电锌空气电池中实现超大电流100 mA cm-2下长时间稳定充放电循环,电解水槽中可在100 mA cm-2下长时间稳定运行。
       论文链接: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c03407


         文章来源:清华大学
         张如范,清华大学化工系副教授、博士生导师、特别研究员。2005-2009年本科就读于中国石油大学(北京)化工学院,2009-2014年博士就读于清华大学化工系,2014-2017年在斯坦福大学材料系从事博士后研究,2018年加入清华大学化工系并成立独立研究团队。主要从事纳米碳材料与功能纳米材料的可控制备与性能研究及应用方面的研究,在超长碳纳米管的可控制备与性能表征、纳米纤维的制备与应用、金属有机框架材料(MOF)的结构调控及其电催化应用等领域取得多项重要成果。自2018年研究团队成立以来,张如范副教授以通讯作者身份在《科学》(Science)、《自然-纳米技术》(Nature Nanotechnology)、《先进材料》(Advanced Materials)、《化学工程期刊》(Chemical Engineering Journal)、《微尺度-方法》(Small Methods)、《材料化学期刊A》(Journal of Materials Chemistry A)、《化学-可持续化学》(ChemSusChem)、《复合物科学与技术》(Composites Science and Technology)等期刊发表论文十余篇,参与撰写学术专著2部。获2020年清华大学春季学期在线教学优秀教师奖、2020年《材料化学期刊A》新锐研究者奖(2020 Emerging Investigators of Journal Materials Chemistry A)、2019年国家海外高层次人才引进计划、2019年侯德榜化工科学技术青年奖、2018年《麻省理工科技评论》中国区“35岁以下科技创新35人”、2018年中国化学会青年化学奖、2018中国新锐科技人物、2016年教育部自然科学一等奖、2015年瑞士乔诺法青年研究奖等荣誉和奖励。

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