北京师范大学化学学院
     
 
孙根班教授团队:通过金属-载体相互作用机制理论与实验结合电合成Co亚纳米团簇诱导Li2O2生长

发布时间: 2024-09-11  浏览次数:

空气电池具有3500 Wh/kg高理论能量密度远超过其他电池体系,极具应用潜力。但由于电池充放电反应涉及固、液、气三相界面,以及放电产物Li2O2绝缘且难溶的特性导致电池反应动力学缓慢,限制氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)的进行,造成电池充放电过电位高、循环稳定性差等问题。

基于此,北京师范大学化学学院孙根班教授国家纳米科学中心朱嘉研究员合作,通过原位电沉积法制备出过渡金属-载体相互作用的亚纳米Co结构电极,这种电极的制备可以使活性位点均匀分布在电极表/界面处,构建气--液三相反应界面奠定了良好的结构基础。通过金属-载体相互作用的合理设计,可控制合成出亚纳米尺寸的KB-Co005复合结构,并实现了锂氧气电池性能的有效提升。实验和理论结果表明,碳平面的基底可以与过渡金属原子强耦合,通过金属载体相互作用优化碳骨架的电子结构、并激活碳骨架的活性中心。在锂氧气电池充放电反应过程中,具有亚纳米结构的KB-Co005电极展现出良好的电催化活性,与纯碳基底、原子级KB-Co001结构和纳米粒子KB-Co050结构相比尤为突出。这种特殊的金属载体结构可以有效地调节放电产物的形貌,促进片状产物结构的生长。在亚纳米级KB-Co005电极上生成的纳米片状Li2O2具有最佳的电化学活性,表现出较低的过电位、优异的倍率性能和较长的循环寿命。这一结果将为固相催化剂-放电产物间的结构设计提供新的见解,并为提高锂氧气电池电催化活性提供不同的思路。



1. C, C-Co3C-Co18结构的态密度及差分电荷计算



2. 原子级KB-Co001和亚纳米级KB-Co005电催化剂的形貌结构分析



3. 原子级KB-Co001、亚纳米级KB-Co005和纳米粒子级KB-Co050电催化剂的锂氧气电池性能

该项工作近期发表在国际知名期刊Nano Energy上,研究得到了国家自然科学基金等项目题资助。北京师范大学化学学院为第一完成单位,孙根班教授和朱嘉研究员为共同通讯作者,郑幸子和袁萌伟为论文共同第一作者。论文相关信息如下Xingzi Zheng, Mengwei Yuan, Ruiyun Xin, Xueqin Wang, Jingshen Xu, Genban Sun, Jia Zhu, Rational Design of Co Sub-Nano Clusters by Electronic Metal-Support Interaction for Inducing Li2O2 Growth, Nano Energy, DOI: 10.1016/j.nanoen.2024.110138.


 
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