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山東大學(xué)王建軍、劉宏教授團(tuán)隊在電化學(xué)儲能方面取得系列進(jìn)展
來源：山東大學(xué) 2022-09-20
導(dǎo)讀：近日，山東大學(xué)晶體材料國家重點(diǎn)實驗室王建軍教授、劉宏教授團(tuán)隊在電解水制氫、水系鋅電池研究方面取得系列新進(jìn)展，相關(guān)研究成果分別以“Boosting the Stability of Oxygen Vacancies in α-Co(OH)2Nanosheets with Coordination Polyhedrons as Rivets for High-Performance Alkaline Hydrogen Evolution Electrocatalyst”為題，發(fā)表于國際期刊Advanced Energy Materials（IF=29.698）上，山東大學(xué)晶體材料國家重點(diǎn)實驗室2020年級博士研究生蔣立文為論文第一作者，王建軍教授、劉宏教授為通訊作者，山東大學(xué)為第一通訊單位；以“Ultra-Stable Aqueous Zinc Batteries Enabled by β-Cyclodextrin: Preferred Zinc Deposition and Suppressed Parasitic Reactions”為題，發(fā)表在國際期刊Advanced Functional Materials（IF=19.924）上，晶體材料國家重點(diǎn)實驗室2021級博士研究生孟超為論文第一作者，王建軍教授、張進(jìn)濤教授、劉宏教授為通訊作者，山東大學(xué)為第一通訊單位。
電解水制取“綠氫”作為一種十分有潛力的手段，有望取代來自化石燃料的“灰氫”，促進(jìn)氫能的可持續(xù)發(fā)展。由于電解反應(yīng)通常需要在具有強(qiáng)離子強(qiáng)度的電解液中進(jìn)行，才能達(dá)到工業(yè)化需求的電流密度，這使得電催化劑對局部化學(xué)環(huán)境非常敏感。在堿性電解液中，電催化劑的元素析出、溶解-再沉積和原位的相變也不可避免的影響著電極的催化活性和穩(wěn)定性，從而抑制堿性電解液中氫氧根離子對催化劑的刻蝕是保護(hù)催化劑的關(guān)鍵所在。因此深入理解電催化劑的結(jié)構(gòu)損壞和活性衰退以及探索有效的可以穩(wěn)定電催化劑晶體結(jié)構(gòu)和催化活性的策略具有重要意義。
配位多面體穩(wěn)定α-Co(OH)2的示意圖
研究團(tuán)隊報道了一種有效的策略，將配位多面體（MoO42?,WO42?）鉚釘在電極表面，可以穩(wěn)定在苛刻的堿性電化學(xué)條件下的α-Co(OH)2， 制備了高性能的堿性HER電催化劑。理論計算和實驗結(jié)果表明，鉚釘在α-Co(OH)2表面的MoO42?不僅可以更好的穩(wěn)定氧空位，維持晶體結(jié)構(gòu)和組分；而且可以調(diào)控催化活性位點(diǎn)的電子結(jié)構(gòu)，促進(jìn)水分子的裂解，優(yōu)化氫的吸附能，提升堿性HER性能。此外，電極與電解液界面處的MoO42?由于靜電斥力可以減少氫氧根離子在α-Co(OH)2上的積累，進(jìn)一步提升HER的穩(wěn)定性。本研究工作為配位多面體離子在堿性電解質(zhì)中調(diào)節(jié)和增強(qiáng)α-Co(OH)2穩(wěn)定性提供了研究思路。此外，水系鋅離子電池由于其低成本、高安全性和環(huán)境友好性被認(rèn)為是有望代替鋰離子電池的候選者，在大規(guī)模儲能領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注。然而，鋅電極表面不均勻的電荷分布引起枝晶的不可控生長是導(dǎo)致電池失效的主要原因；加之活性水的電解使電極表面局部pH升高，促進(jìn)了堿性鋅鹽副產(chǎn)物的產(chǎn)生，阻礙了離子的遷移并嚴(yán)重影響了電池的庫倫效率。抑制枝晶的生長和寄生反應(yīng)從而穩(wěn)定鋅負(fù)極是促使鋅離子電池實現(xiàn)大規(guī)模實際應(yīng)用的前提。
環(huán)糊精調(diào)控作用機(jī)理示意圖及濃度影響
該研究團(tuán)隊報道了通過具有疏水空腔和親水表面的大環(huán)超分子β-環(huán)糊精來調(diào)節(jié)鋅離子沉積取向，同時抑制副反應(yīng)的策略。理論計算和實驗表明，β-環(huán)糊精能夠水平吸附到鋅負(fù)極表面使電極表面的電荷均勻分布，規(guī)范Zn2+的擴(kuò)散路徑和沉積位點(diǎn)，防止其在電極表面無序的二維擴(kuò)散。對鋅離子的均質(zhì)傳輸可以實現(xiàn)鋅離子沿Zn (002)平面取向沉積而不形成枝晶。同時，β-環(huán)糊精獨(dú)特的親疏水特性促進(jìn)了鋅離子去溶劑化過程，有效抑制了析氫等寄生反應(yīng)。相關(guān)研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金、山東大學(xué)齊魯青年學(xué)者項目、深圳市面上項目等項目和晶體材料國家重點(diǎn)實驗室的大力支持。
原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202202351
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202207732
參考資料：https://www.sklcm.sdu.edu.cn/info/1055/2449.htm
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