氮掺杂型Co3O4介孔纳米线阵列:柔性固态锌空电池的新型高效阴极材料

便携式、可穿戴电子器件的高速发展极大地促进了人们对柔性能源装置的研究兴趣。在最新开发出的多种能源装置中,锌空电池(Zinc-Air Batteries)一直备受人们的关注。锌空电池是一种半封闭型的能量转换装置,依靠单质锌与空气中的氧气进行氧化还原反应产生电能。直到最近两年,研究人员才逐渐开始研发设计具有柔性、可弯折特点的锌空电池装置。然而,目前报道的柔性锌空电池不可避免的使用粘结剂和导电剂来制备电极,极大地增加了整个装置的质量,不利于满足便携电子装置的轻便需求。优化电池的结构对于构筑具有优良柔韧性和电化学性质的锌空电池至关重要。另一方面,现如今锌空电池最大的发展瓶颈在于阴极发生的氧还原反应缓慢的动力学。氧还原反应动力学的快慢直接决定了锌空电池在放电过程能量的转换效率和输出功率。金属铂及其合金材料被认为是氧还原反应催化活性最高的材料,但是其使用推广受制于昂贵的成本。所以近年来,氧还原催化剂的研究重点仍集中在开发高活性的廉价金属基和碳基材料。在众多铂催化剂的替代材料中,Co3O4因为它低廉的价格、丰富的资源和潜在的催化能力吸引了广泛的研究兴趣。然而由于Co3O4导电性差的缺陷,其催化活性仍未被完全开发利用。从本质上改善Co3O4的导电性将十分有希望在氧还原反应的催化效率上取得突破性进展。

AM-luxihong

最近,中山大学卢锡洪副教授与香港科技大学杨世和教授合作研究开发出一种新型的氮掺杂Co3O4介孔纳米线阵列,并被用作柔性锌空电池的高性能空气阴极。研究通过水热合成方法在商业碳布上首先生长了Co3O4纳米阵列,接着利用在氨气气氛下控温热处理的方式往Co3O4纳米阵列掺杂氮元素。实验结果与密度泛函理论计算表明氮掺杂策略明显改善了Co3O4的导电性和氧气吸附能力,进而提升了其对氧还原反应的催化活性。利用这种无需粘结剂与导电剂的氮掺杂Co3O4电极,他们进一步组装了全固态柔性锌空电池。其体积比容量高达98.1 mAh cm-3,并在不同的弯折条件下仍保持稳定的性能。这种独特的设计思路有望为清洁、可再生能源在柔性可穿戴电子设备的推广使用提供新思路。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201602868)上。

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