胡良兵教授课题组EES：瞬间原位合成超细钌纳米颗粒用于高倍率Li-CO2电池

kv1004 5年前 (2019-03-05) 5472浏览

【引言】

Li-CO2电池利用CO2进行电化学储能，具有能量密度高的特点。然而，Li-CO2电池的放电产物Li2CO3，在充电过程中需要高电压才能够分解。含碳基体上担载金属纳米颗粒有利于提高Li-CO2电池反应的可逆性。湿化学法是一种简单、廉价、可持续制备碳载金属颗粒的方法，然而，纳米颗粒在较长的反应时间、高压条件或热处理条件下易于发生团聚，进而失去一定的催化活性。此外，碳基体的物理和化学性质对金属纳米颗粒的尺寸分布、担载量和可分散性有显著的影响。

【成果简介】

近日，以乔芸/徐劭懋为共同第一作者，马里兰大学胡良兵教授（通讯作者）课题组，在Energy Environ. Sci.上报道了采用瞬间热冲击法，原位合成出活化碳纳米纤维（ACNF）担载超细钌纳米颗粒，将其作为正极，组装的Li-CO2电池不仅循环性能出色，而且过电位低。在电流密度为0.1 A g–1条件下，经过50个循环，其过电位为1.43V。在0.8和1.0 A g–1的高电流密度下，电池过电位仅为1.79 和1.81 V，表明钌纳米颗粒催化剂可以促进CO2和Li2CO3的可逆反应。因此，这种方法为制备高性能Li-CO2电池提供了全新的制备方法，并有望应用于催化和其它可再生能源储能技术。

【图文导读】

图1. (a) 碳纳米纤维 (CNF) 和 (b) 活化碳纳米纤维 (ACNF) 负载钌纳米颗粒的过程示意图.

图2. 钌纳米颗粒的合成和表征

(a) 热冲击前和热冲击过程中的ACNF-RuCl3膜；(b) 波长范围为464 - 867 nm的发射光谱； (c) 0-100 ms的热冲击的温度-时间曲线；(d-f) Ru/CNF的SEM图、TEM图和纳米颗粒的尺寸分布；(g-i) Ru/ACNF的SEM图 (g)、TEM图 (h, j)、HRTEM图 (k) 和纳米颗粒的尺寸分布 (i)；(l) Ru/ACNF的SAED图；(m-n) Ru/CNF电极和Ru/ACNF电极的截面SEM图；(o) 截面SEM图中标记位置的EDX图。

图3. Ru/ACNF正极的电化学性能

(a) Ru/CNF和Ru/ACNF在电流密度为1 A g–1时的充放电曲线；(b) Ru/ACNF在第1个、第2个、第10个、第20个、第50个循环的充放电曲线；(c) 循环过程中的充放电的截至电压；(d) 不同电流密度下Ru/ACNF的充放电曲线；(d) 不同电流密度下Ru/ACNF的放电放电截至电压；(f) 过电位的对比。

图4. 循环后Ru/ACNF正极的表征

(a) 放电后Ru/ACNF正极的SEM图；(b) 放电后Ru/ACNF正极的TEM图；(c) 放电后Ru/ACNF正极的示意图；(d) 首次充电后Ru/ACNF正极的SEM图；(e) 首次充电后Ru/ACNF正极的TEM图；(f) 首次充电后Ru/ACNF正极的示意图；(g) 完全放电和充电后Ru/ACNF正极的XRD图；(h) 完全放电和充电后Ru/ACNF正极的XPS图；(i) 充电过程中的Ru/ACNF正极的产气速率。

【小结】

胡良兵教授团队合成担载在ACNF上的钌纳米颗粒作为Li-CO2电池正极。钌纳米颗粒均匀地锚定在ACNF上，增加了反应位点。相互交联的纳米纤维间的空隙，为CO2的扩散提供了通道。同时，ACNF具有的多孔结构，不仅有利于电解液渗入，促进锂离子传输，也为Li2CO3沉积提供了空间。因此，Ru/ACNF正极表现出优异的倍率性能。这项研究为开发循环性能和倍率性能优异的Li-CO2电池电极材料提供了全新的制备方法，这种方法同时也可应用于催化和其它可再生的储能技术。南京大学何平教授团队提供了差分电化学质谱的测定和分析。

文献链接：Transient, in situ Synthesis of Ultrafine Ruthenium Nanoparticles for a High-rate Li-CO2 Battery  （Energy Environ. Sci.，2019，DOI：10.1039/C8EE03506G）

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  2. Qiao, Yun; Liu, Yang; Chen, Chaoji; Xie, Hua; Yao, Yonggang; He, Shuaiming; Ping, Weiwei; Liu, Boyang; Hu, Liangbing, 3D-Printed Graphene Oxide Framework with Thermal Shock Synthesized Nanoparticles for Li-CO2 Batteries. Adv Funct Mater 2018, 28 (51), 1805899.
  3. Qiao, Yu; Yi, Jin; Wu, Shichao; Liu, Yang; Yang, Sixie; He, Ping; Zhou, Haoshen, Li-CO2 Electrochemistry: A New Strategy for CO2 Fixation and Energy Storage. Joule 2017, 1 (2), 359-370.
  4. Qie, Long; Lin, Yi; Connell, John W.; Xu, Jiantie; Dai, Liming, Highly Rechargeable Lithium-CO2 Batteries with a Boron and Nitrogen-Codoped Holey-Graphene Cathode. Angew Chem 2017, 56 (24), 7074-7078.
  5. Zhang, Zhang; Yang, Chao; Wu, Shuangshuang; Wang, Aonan; Zhao, Linlin; Zhai, Dandan; Ren, Bo; Cao, Kangzhe; Zhou, Zhen, Exploiting Synergistic Effect by Integrating Ruthenium-Copper Nanoparticles Highly Co-Dispersed on Graphene as Efficient Air Cathodes for Li-CO2 Batteries. Adv Energy Mater 2019, 9 (8), 1802805.

本文由材料人编辑部kv1004供稿，材料牛编辑整理。感谢胡教授课题组在百忙之中对本文进行校稿！

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