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內蒙古大學聯手「國家杰青」,最新Angew!

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第一作者:Mingze Gao
通訊作者:郭自洋,王永剛,Yanchen Fan
通訊單位:內蒙古大學,復旦大學,中石油深圳新能源研究院
內蒙古大學聯手「國家杰青」,最新Angew!
王永剛,復旦大學,物理化學,教授,博士生導師;主要從事鋰離子電池、超級電容器、鋰-硫電池、鋰-空氣電池等儲能器件和可穿戴柔性儲能器件的基礎研究和應用基礎研究。
(信息來源:
https://chemistry.fudan.edu.cn/9f/a2/c21901a237474/page.htm)
論文速覽
近年來,由于錫陽極具有超高安全性、低成本、無枝晶和高度可逆的特點,水系錫空氣電池引起了人們的極大興趣。然而,空氣陰極上的漿料氧還原/析氧反應(ORR/OER)動力學嚴重影響錫-空氣電池的性能。盡管已經開發了各種先進的催化劑,但這些錫-空氣電池的充電過電位(~1000 mV)仍不令人滿意。
本論文提出了一種新型的錫-空氣電池,該電池具有超低的充電電位,并且在光的輔助下展現出了極高的可逆性。
研究團隊首次合成了鐵氧化物(Fe2O3)修飾的二氧化鈦(TiO2)納米棒異質結構,并將其應用于錫-空氣電池的催化電極。這種核殼異質結構能有效促進電化學中間體的轉化,并分離光激發的電子和空穴以促進活性氧相關反應過程。
通過密度泛函理論(DFT)和實驗結果證實,Fe2O3@TiO2/Ti不僅可以作為電催化劑改善氧還原/氧進化反應(ORR/OER)性能,還表現出卓越的光催化活性以促進充電動力學。因此,基于Fe2O3@TiO2/Ti的錫-空氣電池在光照射下顯示出超低的過電位(約40 mV)、出色的倍率性能和良好的循環穩定性。該研究為新型金屬-空氣電池的光助催化陰極設計提供了新的思路。
圖文導讀
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圖1:TiO2/Ti和Fe2O3@TiO2/Ti的合成過程和表征。
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圖2:Fe2O3@TiO2/Ti、TiO2/Ti和商業RuO2催化劑的OER/ORR雙功能電催化活性。
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圖3:Fe2O3@TiO2/Ti光電極的光電化學(PEC)性能。
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圖4:Fe2O3@TiO2/Ti的能帶結構和界面分析。
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圖5:光輔助可充錫-空氣電池的性能。
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圖6:Fe2O3@TiO2/Ti和TiO2的密度泛函理論(DFT)計算。
總結展望
本研究成功構建了一種新型的Fe2O3@TiO2/Ti異質結構催化劑,并將其應用于可充電錫-空氣電池,實現了超低的充放電過電位和長達160小時的穩定循環性能。這種異質結構不僅提高了光/電催化性能,還通過構建強內建電場有效促進了電子/空穴的分離,抑制了載流子復合,顯著增強了Fe2O3@TiO2/Ti催化劑的水氧化動力學。
理論計算和相應的電化學結果進一步證實了Fe2O3@TiO2/Ti催化劑具有更快的OER/ORR動力學和更高的電催化效率。這項工作不僅為設計新型金屬-空氣電池提供了寶貴的參考,也為光輔助催化電極的設計和應用開辟了新的道路。
文獻信息
標題:A Highly Reversible Sn-Air Battery Possessing the Ultra-Low Charging Potential with the Assistance of Light
期刊:Angewandte Chemie International Edition
DOI:10.1002/anie.202407856

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