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北大最新科研成果将大幅提高锂空电池性能
2019-10-10作者:浏览次数:18  来源:贤集网

电池研讨又有新停顿。而且荣登Nature,来自北京大学。工学院的郭少军团队研发出一类新型电催化剂,与商业化的两种催化剂相比,相应指标高出78和327倍。

而且稳定性也相当优良:经过30000次循环后,性能衰减低于30%。

电催化,是将可再生能量转化为能源的根底技术。论文中表示,这一停顿可以显著提升锌空电池和锂空电池的性能。

与如今普遍运用的电池相比,这两类电池具有更高的能量密度,未来也可以应用到电动汽车之中,关于其性能提升,会有极大协助。

新型电催化剂,郭少军团队研发的新型电池催化剂,名为亚纳米厚且高端卷曲的双金属钯钼纳米片资料,在碱性电解质中展示出了更好的氧复原反响(Oxygen reduction reaction,ORR)电催化活性和稳定性,并通过相关试验仪器检测

其直接作用,是提升相关电化学能源转换/存储器件的性能。再往上游看,关于进步可再生电能的直接运用也有助益。

化石能源的日益干涸其对环境气候形成了很大的负面影响,世界各国关于可再生清洁能源的注重度越来越高。

固然各种新能源电厂正在鼎力建立,但以风能和太阳能为代表的可再生能源用起来并没有那么容易。

一是这些可再生能源自然具有间歇性(气候影响大)特征,而是常规电网在长途输电过程中会产生高电能损耗等等,直接限制了可再生电能的运用。

当然,也不是没有对应方法。

一种更有效的方式,就是用基于电化学转换器件,首先将可再生电能贮存于含能分子的化学键中,再将这些含能分子运输至能源需求点,最后可控地释放化学能。

整个过程中,电化学反响“担任”此类化学能与电能之间的转换,其反响速率,直接决议了能源转换的效率以及电化学器件的运转功率。

所以,因而控制反响速率的电催化剂至关重要。

目前,最受关注的能源转换安装有两种:燃料电池和金属空气电池。

但这两类安装在转换的过程中会遭到阴极ORR迟缓的动力学的影响,以及贵金属催化剂用量也十分高,从而极大限制了这两类能源技术的实践运用。

因而,开发出高性能低本钱的ORR电催化剂关于进步电池性能以及能源转化效率,都有极大的促进作用。

怎样开发?不只要用适宜的资料,也要用对办法。

首先选资料。

铂族金属(Platinum group metals, PGMs)纳米资料,具备高活性和高稳定性等优势,是当前最常用的ORR电催化剂。

其次选办法。郭少军团队在2016年发表于Science上的研讨证明,理性控制金属纳米资料的外表应变可显著进步ORR电催化活性。


基于前期工作根底,他们研发出了一类新型的亚纳米厚且高度卷曲的双金属钯钼纳米片(构造相似于石墨烯),简称为“双金属烯”:

△钯钼双金属烯的构造表征。(a-c)电子显微镜图片;(d, e)原子力显微镜图片及厚度剖析;(f)球差透射电子显微镜图片


效果最高提升300多倍


这一催化剂资料的性能,也在论文给出的实验中得到了证明:


PdMo双金属烯的超薄构造,能显著进步贵金属Pd的原子应用率,完成超高的电化学活性面积(138.7 m2/gPd)。


在0.9 V(参比于可逆氢电极)电位下,其ORR的质量活性高达16.37 A/mgPd,较商业Pt/C和Pd/C催化剂分别高出78和327倍。


同时展示出优良的稳定性(30000圈循环扫描后,性能性能衰减低于30%)。


经过密度泛函理论计算研讨发现,双金属合金效应、几何卷曲惹起的应变效应以及亚纳米尺寸惹起的量子效应,共同调控了外表Pd的电子构造,完成氧分离能的优化及氧复原催化性能的大幅提升)。


PdMo双金属烯同时表现出优于商业氧化铱(IrO2)催化剂的析氧反响(oxygen evolution reaction, OER)活性。


△钯钼双金属烯的性能评价及催化机理研讨。(a)各催化剂的ORR极化曲线及(b)活性比照图;(c)双金属烯的原子模型;(d)氧分离能与晶格应变的关系;(e)不同资料中Pd元素的d带中心位置


在北大工学院对郭少军的研讨成果的引见中,还着重强调了其关于锌空和锂空电池的充放电性能的提升。

这关于氧反响电催化机理研讨,以及新型高效燃料电池/金属空气电池阴极电催化剂的开发来说,都具有自创意义,也可以为下一代高性能低本钱电催化剂的理性设计提供了全新思绪。

郭少军团队新研讨

这一研讨,是北大郭少军团队的又一新成果。

依据论文的署名信息,郭少军是论文的独一通讯作者。

郭少军2005年毕业于吉林大学化学学院,2005年保送到中国科学院长春应用化学研讨所。

2010年12月获剖析化学博士学位,之后在美国布朗大学化学系从事博士后研讨。

博士后研讨生活完毕后,郭少军在美国Los Alamos国度实验室做了两年研讨。

2015年回国后,进入北京大学,是工学院资料科学与工程系、能源与资源工程系双聘研讨员,博士生导师,也是国度青年千人方案学者。

主要从事催化、新能源、传感器和光电资料等范畴的研讨。依据北大工学院个人引见页面,他曾经在Science、Nature等国际著名学术期刊发表学术论文200篇和书章节4部。

其中,以通讯/第一作者发表影响因子大于10论文53篇、ESI Top 1%高被引论文41篇、ESI Top 0.1%热点论文7篇和单篇援用超越100次的41篇。

依据Google Scholar的数据,郭少军的研讨援用曾经超越了3万次,H因子为94。

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