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空气电池技术应用突破--一种新颖的富吡啶氮掺杂缺陷石墨烯NDGs-800
发布时间: 2018-05-22

关于下一代高比能动力电池的发展,目前有几种路线可供选择,一种是全固态锂金属电池,这是目前被广泛接受和认可的技术路线,美国的“Battery 500”计划就是旨在通过开发金属锂二次电池技术的实现电池组比能量达到500Wh/kg的目标,日本的固态电解质技术处于全球领先水平,其开发的硫化物电解质离子电导率甚至可以和液态电解质相媲美;另外一条技术路线就是金属-空气电池,例如目前主流的Li-空气和Na-空气电池,其理论比能量超过2000Wh/kg,远远高于锂离子动力电池。

氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)是金属-空气电池的两个重要反应。开发低成本双功能催化剂并确定活性位点仍然是一个巨大的挑战。大量的研究表明非金属杂元素(N、S、P等)掺杂碳材料是一种有效的双功能催化剂,但目前有关该类型催化剂的活性中心仍存在争议,其中一个主要原因是杂原子掺杂的同时也会产生一定的缺陷,理清活性中心(掺杂效应、缺陷效应或者掺杂与缺陷之间协同效应)对于合成高性能ORR/OER催化剂非常迫切。此外,在较高过电位条件下,ORR/OER涉及到气体的快速消耗与生成,设计分级介-大孔结构无疑对催化反应动力学起到积极作用。

为此,中南大学雷永鹏教授与和湖南大学王双印教授、中科院王要兵教授及国防科大王应德教授合作,以氧化石墨烯和g-C3N4纳米片为原料,经水热自组装和高温热处理制备了高孔容(3.43 cm-3 g-1)的氮掺杂石墨烯气凝胶(NDGs-800)。该材料富吡啶氮、富缺陷,ORR性能超越商业Pt/C催化剂,同时也表现出较好的OER活性。组装的锌空气电池具有超高的能量密度(872.3 Wh kg-1),连续循环充放电78 h,活性没有明显衰减,可媲美贵金属Pt/C+Ir/C催化剂。苏州大学李有勇教授团队的理论计算首次发现吡啶氮和空位缺陷的协同机制,相比其它构型的碳,4个吡啶氮协同的空位毗邻的碳催化活性最高,过电势最低(ORR:0.28V;OER:0.28V)。该工作为设计高性能非金属催化剂提供了借鉴。