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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30%,大幅提高锂空电池性能

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发表于 7?天前 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
  电池研究又有新进展。

  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异:经过30000次循环后,性能衰减不到30%。

  电催化,是将可再生能量转化为能源的基础技术。论文中表示,这一进展能够显着提升锌空电池和锂空电池的性能。

  与现在广泛使用的电池相比,这两类电池具有更高的能量密度,将来也能够应用到电动汽车之中,对于其性能提升,会有极大帮助。

  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材料,在碱性电解质中展现出了更好的氧还原反应(Oxygen reduction reaction,ORR)电催化活性和稳定性。

  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,对于提高可再生电能的直接使用也有助益。

  化石能源的日益枯竭其对环境气候造成了很大的负面影响,世界各国对于可再生清洁能源的重视度越来越高。

  虽然各种新能源电厂正在大力建设,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天然具有间歇性(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使用。

  当然,也不是没有对应办法。

  一种更有效的方式,就是用基于电化学转换器件,首先将可再生电能储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,电化学反应“负责”此类化学能与电能之间的转换,其反应速率,直接决定了能源转换的效率以及电化学器件的运行功率。

  所以,因此控制反应速率的电催化剂至关重要。

  目前,最受关注的能源转换装置有两种:燃料电池和金属空气电池。

  但这两类装置在转换的过程中会受到阴极ORR缓慢的动力学的影响,以及贵金属催化剂用量也非常高,从而极大限制了这两类能源技术的实际运用。

  因此,开发出高性能低成本的ORR电催化剂对于提高电池性能以及能源转化效率,都有极大的促进作用。

  怎么开发?不仅要用合适的材料,也要用对方法。

  首先选材料。

  铂族金属(Platinum group metals, PGMs)纳米材料,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。

  其次选方法。

  郭少军团队在2016年发表于Science上的研究证明,理性控制金属纳米材料的表面应变可显着提高ORR电催化活性。

  基于前期工作基础,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(结构类似于石墨烯),简称为“双金属烯”:

  △钯钼双金属烯的结构表征。(a-c)电子显微镜图片;(d, e)原子力显微镜图片及厚度分析;(f)球差透射电子显微镜图片

  效果最高提升300多倍

  这一催化剂材料的性能,也在论文给出的实验中得到了证实:

  PdMo双金属烯的超薄结构,能显着提高贵金属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(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。

  同时展现出优异的稳定性(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究发现,双金属合金效应、几何卷曲引起的应变效应以及亚纳米尺寸引起的量子效应,共同调控了表面Pd的电子结构,实现氧结合能的优化及氧还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)催化剂的析氧反应(oxygen evolution reaction, OER)活性。

  △钯钼双金属烯的性能评价及催化机理研究。(a)各催化剂的ORR极化曲线及(b)活性对比图;(c)双金属烯的原子模型;(d)氧结合能与晶格应变的关系;(e)不同材料中Pd元素的d带中心位置

  在北大工学院对郭少军的研究成果的介绍中,还着重强调了其对于锌空和锂空电池的充放电性能的提升。

  这对于氧反应电催化机理研究,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,都具有借鉴意义,也能够为下一代高性能低成本电催化剂的理性设计提供了全新思路。

  郭少军团队新研究

  这一研究,是北大郭少军团队的又一新成果。

  根据论文的署名信息,郭少军是论文的唯一通讯作者。

  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究所。

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

  博士后研究生涯结束后,郭少军在美国Los Alamos国家实验室做了两年研究。

  2015年回国后,进入北京大学,是工学院材料科学与工程系、能源与资源工程系双聘研究员,博士生导师,也是国家青年千人计划学者。
  主要从事催化、新能源、传感器和光电材料等领域的研究。根据北大工学院个人介绍页面,他已经在Science、Nature等国际着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篇和单篇引用超过100次的41篇。

  根据Google Scholar的数据,郭少军的研究引用已经超过了3万次,H因子为94。

  这一研究的第一作者,是骆明川博士,此前在郭少军团队从事博士后研究,论文中署名单位是北京大学工学院材料科学与工程系。

  此外,论文的合作者中,还有美国加州州立大学Gang Lu(卢刚)教授和美国布鲁克海文国家实验室Dong Su(苏东)研究员。

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