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北大电池新研究登上Nature:3万次循环测试,性能衰减不到

2019-11-10 17:35:07 
 
 

做明编辑整理

Qbitai

电池研究取得了新进展。

此外,他被尊为自然,来自北京大学。

技术研究所的郭少军团队开发了一种新型电催化剂,比两种商用催化剂高78倍和327倍。

此外,稳定性相当好:经过30,000次循环后,性能衰减小于30%。

电催化是将可再生能源转化为能源的基本技术。本文认为,这一进展可以显著提高锌空气电池和锂空气电池的性能。

与广泛使用的电池相比,这两种类型的电池具有更高的能量密度,可以应用于未来的电动汽车,这将大大有助于提高它们的性能。

新型电催化剂

郭少军团队开发的新型电池催化剂,称为亚纳米厚高端卷曲双金属钯钼纳米片材料,在碱性电解液中表现出较好的电催化活性和氧还原反应稳定性。

其直接功能是提高相关电化学能量转换/存储装置的性能。往上游看,这也有助于改善可再生能源的直接使用。

化石能源的枯竭给环境和气候带来了巨大的负面影响。世界各国越来越重视可再生和清洁能源。

虽然各种新能源发电厂正在建设中,但使用以风能和太阳能为代表的可再生能源并不容易。

一是这些可再生能源自然是间歇性的(对气候影响很大),但常规电网在长距离输电时会产生高能耗,这直接限制了可再生能源的使用。

当然,并不是没有相应的方法。

一种更有效的方法是使用电化学转换装置,首先将可再生电能储存在高能分子的化学键中,然后将这些高能分子输送到能量需求点,最后可控地释放化学能。

在整个过程中,电化学反应“负责”这种化学能和电能之间的转换,其反应速率直接决定了能量转换的效率和电化学装置的运行功率。

因此,控制电催化剂的反应速率非常重要。

目前,最受关注的有两种能量转换装置:燃料电池和金属空气电池。

然而,这两类装置在转化过程中会受到阴极orr缓慢动力学的影响,贵金属催化剂的量也非常高,从而极大地限制了这两类能源技术的实际应用。

因此,开发高性能、低成本的orr电催化剂将极大地促进电池性能和能量转换效率的提高。

怎么做?不仅要使用合适的材料,还要使用正确的方法。

首先选择材料。

铂族金属纳米材料由于其高活性和稳定性,是目前最常用的电催化剂。

第二,选择方法。

郭少军科学小组2016年发表的研究证明,合理控制金属纳米材料的表面应变可以显著提高或电催化活性。

在先前工作的基础上,他们开发了一种新型亚纳米厚且高度卷曲的双金属钯-钼纳米片(结构类似于石墨烯),简称“双金属烯烃”:

△钯钼双金属烯烃的结构表征。(a-c)电子显微镜图像;(d,e)原子力显微镜图像和厚度分析;(f)球面像差透射电子显微镜图像

效率高达300倍

本文给出的实验也证实了这种催化剂材料的性能:

pdmo双金属烯烃的超薄结构可以显著提高贵金属pd的原子利用率,实现超高的电化学活性面积(138.7 m2/gpd)。

在0.9 v的电位下(参考可逆氢电极),orr质量活性高达16.37 a/mgpd,分别比市售pt/c和pd/c催化剂高78倍和327倍。

同时,它表现出优异的稳定性(经过30,000次循环扫描后,性能衰减小于30%)。

通过密度泛函理论计算,发现双金属合金效应、几何卷曲引起的应变效应和亚纳米尺寸引起的量子效应共同控制了表面pd的电子结构,实现了氧结合能的优化和氧还原催化性能的大幅提高)。

Pdmo双金属烯烃也显示出比市售氧化铱催化剂更好的析氧反应活性。

△钯钼双金属烯烃的性能评价及催化机理。(a)每种催化剂的orr极化曲线和(b)活性对比图;(c)双金属烯烃的原子模型;(d)氧结合能和晶格应变之间的关系;不同材料中钯元素的D波段中心位置

北京大学工学院在介绍郭少军的研究成果时,也强调了锌空气电池和锂空气电池充放电性能的提高。

这对氧反应电催化机理的研究和新型高效燃料电池/金属空气电池阴极电催化剂的开发具有参考意义,也可以为下一代高性能低成本电催化剂的合理设计提供新思路。

郭少军团队的新研究

这项研究是北京大学郭少军团队的又一项新成果。

根据该报的署名信息,郭少军是该报唯一的通讯作者。

郭少军2005年毕业于吉林大学化学学院,2005年被中国科学院长春应用化学研究所护送。

2010年12月,他获得了分析化学博士学位,后来在美国布朗大学化学系从事博士后研究。

完成博士后研究生涯后,郭少军在洛斯阿拉莫斯国家实验室做了两年的研究。

2015年回到中国后,他进入了北京大学。他是理工学院材料科学与工程系和能源与资源工程系的双职工研究员和博士生导师。他还是全国青年千人计划的学者。

他主要从事催化、新能源、传感器和光电材料领域的研究。根据北京大学理工学院个人简介页面,他在《科学与自然》等国际知名学术期刊上发表了200篇学术论文和4本书的章节。

其中,通讯/第一作者发表的论文53篇,影响因子超过10,引用esi前1%的论文41篇,引用esi前0.1%的热门论文7篇,引用次数超过100次的论文41篇。

根据谷歌学者的数据,郭少军的研究被引用超过3万次,H因子为94。

本研究的第一位作者是罗明川博士,他曾在郭少军团队从事博士后研究。本文作者是北京大学理工学院材料科学与工程系。

此外,论文的合作者包括加州州立大学的卢刚教授和布鲁克海文国家实验室的苏东研究员。

自然纸门户:

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1603-7

参考链接:

http://www.coe.pku.edu.cn/xwxx/xwjj/xwkx/918269.htm

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