张如范课题组在锌-空气电池多功能正极材料方面取得重要进展

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近日，化工系张如范副教授课题组在用于可充电锌-空气电池的多功能空气正极材料制备方面取得重要进展，通过将金属钴（Co）以单原子形式分散到柔性的氮掺杂碳纳米纤维中，构筑了无需使用粘结剂的钴原子负载型碳基空气正极，在水系锌-空气电池呈现超过600小时的循环稳定性，构筑的全固态锌-空气电池中表现出稳定的电压曲线和优异的抗弯折能力，为锌-空气电池中结构化催化剂的发展提供了全新思路。

图1.Co单原子催化剂的制备、结构及配位分析

         锌-空气电池是一种能量密度高、原料资源丰富、环境友好、安全性高、发展潜力大的电化学储能器件。然而，锌-空气电池在充放电过程中其中的空气电极会经历氧析出（OER）和氧还原（ORR）两个过程，其缓慢的动力学过程严重制约了电池的能量转换效率。单原子催化剂具有独特的电子结构和不饱和的配位方式，可以实现催化反应的高活性和高选择性。目前报道的单原子催化剂多以粉末为主，加入的聚合物粘合剂会导致活性位点失活、界面电阻增加等问题。在此背景下，张如范课题组提出了一种竞争配位策略，利用前驱体溶液中高浓度的锌离子（Zn2+）和高粘度的聚丙烯腈（PAN）协同抑制钴离子（Co2+）与2-甲基咪唑的剧烈配位，结合静电纺丝及后续的碳化过程，同步实现了Co的原子级分散和碳纳米管串联的多孔氮掺杂碳纳米纤维的构筑（图1）。

图2.Co单原子催化剂的水系和全固态锌-空气电池性能

        这种负载有钴单原子催化剂的三维自支撑结构可直接用作空气正极（图2），无需额外添加粘结剂，其ORR过程的半波电位为0.85V，而其OER过程的过电位为380mV（电流密度为10mA cm-2时），可逆氧过电位（ΔE）为0.76V，优于大多数文献报道的非贵金属催化剂的性能。利用上述催化剂作为空气正极材料组装的水系锌-空气原型电池在10mA cm-2下运行600小时性能不衰减；组装全固态锌-空气原型电池，经45°、90°、135°和180°弯折充放电平台不变，展示了该柔性正极材料的多种应用可能。
         上述成果以“柔性碳膜负载的钴单原子作为双功能氧催化剂用于无粘结剂锌-空气电池”（Stabilizing Cobalt Single Atoms via Flexible Carbon Membranes as Bifunctional Electrocatalysts for Binder-Free Zinc-Air Batteries）为题发表在国际期刊《纳米·快报》（Nano Letters）期刊上，论文的第一作者为清华大学化工系博士后韩莹，通讯作者为清华大学化工系张如范副教授，主要合作者还包括中国科学技术大学同步辐射国家实验室的闫文盛教授和段恒利博士。上述研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划和中国博士后基金的支持。
       论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c00278


           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。