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加拿大國家科學(xué)研究所（INRS）Mohamed Mohamedi--先進(jìn)鋅空氣電池與獨(dú)立式分級(jí)納米結(jié)構(gòu)的空氣陰極用于鋅空電池

如今，通過在導(dǎo)電集電極表面直接生長非貴金屬電催化劑來開發(fā)獨(dú)立的(無粘結(jié)劑)空氣陰極將是降低界面電阻、提高機(jī)械穩(wěn)定性的前沿策略。并降低最終重量和制造成本。在本研究中，針對(duì)鋅空氣電池(ZABs)，我們提出了一種創(chuàng)新的無粘結(jié)劑、無貴金屬分層納米結(jié)構(gòu)雙功能空氣陰極，在這種空氣陰極中，高密度MnO_x納米棒(NRs)直接生長在由微纖維碳紙(CP)襯底上合成的碳納米管(CNTs)上。所有碳/MnO_x空氣陰極的比容量都非常接近820 mAh g_zn^-1的理論值。結(jié)果表明，在實(shí)際ZAB裝置中，這些陰極對(duì)氧還原/析氧反應(yīng)具有良好的穩(wěn)定性和雙功能電催化活性。作為手持式電子應(yīng)用的概念驗(yàn)證，以CP/MnO_x NRs為空氣電極和鋅陽極板組裝的ZAB成功地運(yùn)行了14天的計(jì)時(shí)器, 而兩個(gè)ZAB基碳納米管/MnO_x陰極串聯(lián)為一個(gè)2V發(fā)光二極管(LED)燈泡和一個(gè)3V萬用表供電。所提出的策略和結(jié)果為ZABs、其他金屬空氣電池和燃料電池分層獨(dú)立式雙功能電催化劑的合理設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

圖1 (a) 相應(yīng)樣品的XRD;(b)碳襯底上直接生長MnOx的拉曼光譜。

圖2 SEM形貌分析：(a1-a3) CP/MnO_x圖像;(b₁-b₃) Func CP/MnOx;(c₁-c₃)碳納米管/ MnOx;(d1-d3) Func CNTs-7/MnO_x;和(e1-e3) Func CNTs-15/MnO_x_。

圖3 XPS光譜分析：(a) XPS總譜;(b) Mn 2p，(c) Mn 2p_3/2，(d) O 1s。

圖4。ORR性能:(a)靜態(tài)CV曲線在O₂飽和0.1 M KOH電解液(實(shí)線)或N₂飽和0.1 M KOH電解液(點(diǎn)線)中，掃描速率為5 mV s^-¹;(b)在5mv s^-¹掃描速率下，RRDE電極在1600rpm下的LSV曲線; (c)由(b)中的LSV曲線導(dǎo)出的n; (d)由(b)中LSV曲線得出的過氧化物率。OER性能:(e)電容修正伏安曲線和(f) Tafel曲線。

圖5 Zn空氣電池性能:(a)設(shè)計(jì)制作Zn空氣電池器件，(b)極化曲線，(c)功率密度曲線，(d)比容量，(e) 2mA cm^-²時(shí)的恒流充放電性能。

圖6 電池循環(huán)試驗(yàn)后陰極(a1-a3) CP/MnO_x、(b1-b3) Func CP/MnO_x、(c1-c3) CNTs/MnO_x、(d1 -d3) Func CNTs-7/MnO_x和(e1-e3) Func CNTs-15/MnO_x的SEM圖像。

圖7。電池使用陰極循環(huán)后鋅陽極的橫截面SEM圖像如下:(a1-a3)新鮮鋅板，(b1-b3) CP/MnO_x， (c1-c3) Func CP/MnO_x， (d1-d3) CNTs/MnO_x， (e1-e3) Func CNTs-7/MnO_x， (f1-f3) Func CNTs-15/MnO_x。

圖8 電池循環(huán)后鋅陽極的表征。(a) x射線衍射模式。(b)測量光譜、(c) Zn 2p光譜和(d) O 1s光譜的XPS光譜。

圖9 (a)和(b)單ZAB和雙ZAB的OCVs，分別用萬能表測量(c)電壓作為由單電池ZAB供電的計(jì)時(shí)器的時(shí)間函數(shù)。(d, e)兩個(gè)ZAB供電的LED燈泡的照片。(f, g) 10 kΩ電阻，用萬用表測量，使用CNT/MnO_x陰極串聯(lián)兩個(gè)ZABs。

相關(guān)科研成果由加拿大國家科學(xué)研究所（INRS）Mohamed Mohamedi等人于2021年發(fā)表在ACS Appl. Mater. Interfaces (https://doi.org/10.1021/acsami.1c22371)上。原文：Advanced Zinc−Air Batteries with Free-Standing Hierarchical Nanostructures of the Air Cathode for Portable Applications。

轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)



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