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            可應用于空氣液流電池的自支撐雙效氧電極

            可應用于空氣液流電池的自支撐雙效氧電極

            由于具有高理論能量密度和低成本,空氣液流電池在大規模儲能中受到廣泛關注。然而,它們的能量轉換效率受限于氧還原反應(ORR)和氧析出反應(OER)的緩慢動力學。通常,粉末狀催化劑和粘合劑會混合涂布到導電載體上,會掩蓋部分活性位點, 降低其催化活性。更重要的是,這些粉狀催化劑在氣體釋放過程中容易從載體上脫落,從而導致氧電極不穩定。

            近期,北京化工大學向中華教授課題組開發了一種直接在碳纖維紙(CFP)上生長具有高效ORR和OER性能催化劑的方法。通過水熱反應和氬氣氛圍中高溫熱解,在硫摻碳纖維紙(SCFP)上制備由非晶態NiSx-FeOy組成的雙功能自支撐氧電極(NiSx-FeOy/SCFP)。非晶態NiSx-FeOy顆粒牢固地錨定在SCFP上,而三維多孔SCFP支撐不僅為電子和離子轉移提供了有效途徑,還提高了催化活性,更重要的是電極具有極高的實用性與穩定性。該文章近期發表在國際期刊Nano Energy上(影響因子:12.343)。

            可應用于空氣液流電池的自支撐雙效氧電極

            圖1. (A) NiSx-FeOy/SCFP的制備過程。 (B) CFP, (C) NiSx-FeOy/SCFP的前驅體和 (D) NiSx-FeOy/SCFP的SEM圖像。

            得益于這些優勢,所制備的NiSx-FeOy/SCFP催化劑在10mA/cm2電流密度下的OER過電勢只有0.370V,并且具有與與商業鉑碳相近的ORR半波電位。

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            圖2. (A) IrO2,CFP,OCFP,SCFP 和NiSx-FeOy/SCFP 在0.1 M KOH 溶液中的ORR和OER性能。 (B) OER 和 (C) ORR的塔菲爾斜率。 (D) NiSx-FeOy/SCFP的OER在 E10 (mA/cm2對應電勢) 和 ORR在E1 (1 mA/cm2對應電勢) 與IrO2和Pt/C 催化劑穩定性的比較。

            值得注意的是,用新開發的NiSx-FeOy / SCFP組裝的鋅空氣液流電池(ZAFB)表現出高的充放電性能,并且運行110 h而沒有性能衰減,表明NiSx-FeOy / SCFP具有高催化活性和良好的循環穩定性。這為以后金屬空氣電池的簡便實用催化劑的開發提供了新途徑。

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            圖3. (A) ZAFB示意圖; (B) NiSx-FeOy/SCFP 在 5, 10 和20 mA/cm2時各自的充放電循環曲線。 (C) NiSx-FeOy/SCFP 和貴金屬催化劑 (Pt/C和IrO2) 各自作為新空氣液流電池催化劑的穩定性對比。?

            材料制備過程

            裁剪一個長12mm寬10mm小塊碳紙(CP),室溫下放入王水中浸泡6h,然后碳紙用大量蒸餾水清洗。取0.1mol硫脲和0.77mmol FeCl3和2.85 mmol Ni(CH3COO)2·4H2O溶解在60ml去離子水中,攪拌均勻。將酸處理后的碳紙放入100ml水熱反應釜中,加入上述溶液,烘箱中200℃反應12h,反應結束后自然冷卻。冷卻后取出碳紙,用蒸餾水和乙醇洗滌數次。把碳紙放入烘箱中60℃干燥12h,再在氬氣氛下900℃高溫熱解2h,得到NiSx-FeOy/SCFP。

            Yuanhui Cheng, Dongming Li, Lei Shi, Zhonghua Xiang,?Efficient unitary oxygen electrode for air-based flow batteries, Nano Energy, 2018, DOI:10.1016/j.nanoen.2018.03.013

             

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