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北大电池新研究登上Nature:3万次循环测试性能衰

文章来源:未知 更新时间:2019-10-09

  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

  本文经AI新媒体量子位(公众号ID▪☆◆: QbitAI)授权转载•-▽◆△,转载请联系出处▪☆★◆★。

  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■◆。

  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=…◇•▪★,这一进展能够显著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=▲=▼★。

  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△▽◁。

  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■△■●▽▽。

  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■◆。

  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★■。

  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著提高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

  PdMo双金属烯的超薄结构■▪…,能显著提高贵金属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(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)■◇▽●=。

  △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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