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河南科技大学《Langmuir》:纳米花状NiCo2O4/石墨烯复合材料,用于锌空气电池
出处:材料分析与应用  录入日期:2024-03-29  点击数:202

  1成果简介


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  开发高效的非贵金属氧还原(ORR)和氧进化(OER)双功能催化剂对于提高锌-空气电池的实际应用至关重要。本文,河南科技大学马景灵、Guangxin Wang等研究人员在《Langmuir》期刊发表名为“Nanoflower-like NiCo2O4 Composite Graphene Oxide as a Bifunctional Catalyst for Zinc–Air Battery Cathode”的论文,研究利用静电力将纳米花状镍钴氧化物锚定在氧化石墨烯上,缓解了镍钴氧化物作为过渡金属氧化物固有导电性差的问题,并防止纳米花状结构在催化过程中过度聚集。因此,与纯纳米花状镍钴氧化物相比,所得复合材料NiCo2O4-GO/C 的 ORR 和 OER 催化性能明显更优。
  值得注意的是,与贵金属RuO2 相比,它在 OER 催化活性方面更胜一筹。作为 ORR 和 OER 的双功能催化剂,NiCo2O4-GO/C在10mA-cm-2 时的 ORR 半波电位与 OER 电位之间的电位差为0.88V,明显低于纯纳米花状NiCo2O4的 1.08 V,与贵金属催化剂 Pt/C+RuO2 的0.88 V相当。基于 NiCo2O4-GO/C 的锌-空气电池的放电容量为 817.3 mA h-g-1,超过了基于贵金属的锌-空气电池。此外,充放电循环测试表明,与基于贵金属的锌-空气电池相比,基于NiCo2O4-GO/C 的锌-空气电池具有更高的稳定性。
  2图文导读 

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  图1. NiCo2O4-GO/C 的制备过程示意图。


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  图2:(a)甘油酸镍-钴、(b)氢氧化镍-钴,(c)NiCo2O4和(d,e)NiCo2O3 GO/c的TEM图像,(f)NiCoO4 GO/c的HRTEM图像,以及(g)NiCo2O4、(h)NiCoO4 GO/c和(i)GO/c的SEM图像。


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  图3、(a)XRD图谱,(b)TG曲线,(c)N2吸附-解吸等温线,以及(d)NiCo2O4和NiCo2O4-GO/c的孔径分布曲线。


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  图4、(a)NiCo2O4-GO/C的XPS测量光谱,(b)Co2p和(C)Ni2p的高分辨率XPS光谱,(d)Co2+Ni2+/Co3+Ni3+在NiCo2O3-GO/C和NiCo2O4中的含量,(e)O1s和(f)C1s的高分辨率XPS。


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  图5、(a) ORR LSV,(b)Tafel,(c)i–t曲线,(d)OER LSV、(e)Tafel,(f)ECSA,(g)EIS,(h)不同CV循环次数后的OER LSV曲线,以及(i)10 mA·cm–2时ORR半波电位和OER电流密度之间的电位差。


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  图6、(a)锌-空气电池的结构示意图,(b)NiCo2O4-GO/C基锌-空气蓄电池的开路电压,(C)充放电极化曲线,(d)功率密度曲线,(e)不同电流密度下的放电,(f)电池的比容量曲线,(g)使用两个NiCo2O4 GO/C基电池的LED工作,以及(h)充放电循环曲线。
  3小结
  总之,利用静电力将纳米花状NiCo2O4锚定在氧化石墨烯上有效地改善了纯NiCo2O4-的较差固有导电性和过度聚集问题。电化学评估显示,与原始的纳米花状NiCo2O4相比,NiCo2O4-GO/C复合材料的ORR和OER催化性能都显著增强。Tafel斜率分析表明,所得复合材料的反应动力学得到改善。EIS和ECSA数据支持这样一个结论,即催化性能的提高源于材料电导率的提高和电化学活性表面积的增加。此外,作为一种双功能电催化剂,NiCo2O4 GO/C的ΔE仅为0.88V,略高于贵金属Pt/C+RuO2的ΔE,仅高出20mV。考虑到贵金属的高昂成本,NiCo2O3 GO/C作为贵金属催化剂的替代品表现出了很好的潜力。
  考虑到贵金属的高昂成本,NiCo2O4-GO/C 作为贵金属催化剂的替代品具有广阔的发展前景。随后的电池组装测试表明,在 10mA-cm-2 的高电流密度下,基于 NiCo2O4-GO/C 的锌-空气电池的放电容量达到了 817.3 mAh-g-1,超过了贵金属催化剂的性能。此外,5mA-cm-2的充放电循环测试表明,与贵金属催化剂相比,基于NiCo2O4-GO/C 的锌-空气电池具有更高的稳定性。因此,复合材料NiCo2O4-GO/C 为寻找贵金属催化剂的替代品提供了一种可行的选择。将过渡金属氧化物与 GO 结合可有效提高其电化学性能,为设计适用于空气电池的高效多功能催化剂提供了一种合理的方法。
  文献:


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