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中南大学团队在氢能及金属空气电池领域取得进展
2021-01-12 中南大学资讯网

  近日,中南大学粉末冶金国家重点实验室雷永鹏特聘教授团队在氢能及金属空气电池领域取得进展,相关研究成果陆续发表在《Nano Energy》《Advanced Energy Materials》《Science China Materials》和《ACS Nano》等国际权威期刊。

  利用清洁电能分解水是一种绿色的制氢方案,工业电解槽大多采用碱性电解液,由于碱性介质中H+的浓度很低,电催化氢析出反应(HER)往往需要较高的反应过电势来加速H*中间体的生成。雷永鹏团队构建了一种皮芯结构的电催化剂,其内部为硒掺杂的磷化钴,外部为氮掺杂的碳。实验和理论计算表明,硒掺杂促进了电子从内部磷化物到外部碳层的转移,加快了析氢决速步骤,实现了碱性电解液中突出的HER性能。同时,碳层起到保护作用,有利于催化剂在大电流密度下的稳定性。该成果发表在《Nano Energy》,硕士生刘毅、冯庆国教授、刘炜教授为共同第一编辑,雷永鹏为通讯编辑。

  皮芯结构催化剂的HER活性与稳定性

  作为水分解的另一个半反应,氧析出反应(OER)需要经历4个电子的转移,动力学进程更为缓慢,开发具有优异耐久性的高活性OER电催化剂充满挑战。雷永鹏团队构造了镍铁层状双氢氧化物修饰的磷化物,实验揭示了催化剂的重构现象,生成的羟基氧化物充当OER的活性组分。镍铁层状双氢氧化物修饰的磷化物作为水分解的阴极和阳极,在100 mA cm-2的高电流密度下稳定工作超过275小时。这项工作实现了多功能催化材料不同活性成分间的偶合,为设计多功能电催化剂提供了参考。该成果发表在《Science China Materials》,联合培养硕士生宋成叶、刘毅、王裕超为共同第一编辑,雷永鹏为通讯编辑。

  静电纺丝制备的纳米纤维(碳基和非碳基)电催化剂具有长径比高、电荷传输路径短和化学性质稳定等突出特点,在电化学能源器件中表现出巨大潜力。基于前期研究基础,雷永鹏受邀撰写了电纺无机纳米纤维用于氧电催化的设计、合成和进展的综述。该工作重点先容了静电纺丝工艺的基本原理,碳基纤维电催化剂的调控策略和进展,并突出了自支撑电极的优势。同时也讨论了不同种类非碳基纤维催化剂及其复合材料。该成果发表在《Advanced Energy Materials》。雷永鹏、博士生王启晨为共同第一编辑,周科朝、彭生杰、雷永鹏为共同通讯编辑。

  燃料电池、金属空气电池、金属硫电池和金属离子电池等是下一代电化学能量存储(或转换)装置的候选者,涉及到氧还原、硫转换等电极反应,催化剂能提高反应速率和输出性能,是上述器件的核心材料之一。单原子催化剂(SACs)能有效增强氧化还原动力学,调节反应界面处的相互作用,从而提高器件性能。文章简要总结了下一代电化学能量存储(或转换)装置的背景常识、工作原理以及挑战,阐明了SACs对于解决这些瓶颈的重要意义,并讨论了基于SACs的下一代电化学能量存储和转换装置发展方向。该成果发表在《ACS Nano》,联合培养硕士生王裕超、博士生褚福路为共同第一编辑,雷永鹏、吴飞翔为共同通讯编辑。

  单原子催化剂在下一代电化学能源储存与转换器件中的应用

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