應(yīng)用成果

應(yīng)用成果

焦耳加熱裝置助力南方科技大學(xué)《Chem Commun》：一種封裝高熵合金的多層還原氧化石墨烯催化劑，用于可充電鋅空氣電池！

發(fā)布日期：2024-01-16 閱讀量：1093

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成果簡介

　　本文，南方科技大學(xué)徐保民教授團(tuán)隊(duì)在《Chem. Commun》期刊發(fā)表名為“A multi-layer reduced graphene oxide catalyst encapsulating a high-entropy alloy for rechargeable zinc-air batteries”的論文，研究提出展示了利用焦耳加熱策略制備封裝HEA的多層還原氧化石墨烯(rGO)(Fe6Ni20Co2Mn2Cu1.5@rGO)。rGO涂層可防止納米顆粒聚集，確保納米顆粒在基底內(nèi)均勻分布。

　　此外，rGO 封裝層的高結(jié)晶度可有效防止顆粒在惡劣環(huán)境中脫落，從而提高 HEA 催化劑的活性和穩(wěn)定性。因此，制備的 Fe6Ni20Co2Mn2Cu1.5@rGO 催化劑在 1 mol L-1 KOH 水電解質(zhì)中的電流密度為 10 mA cm-2 時，OER 過電位(ηj=10)為290mV，并且在 10 mA cm-2 的條件下可穩(wěn)定工作 300 小時以上。此外，配備了 Fe6Ni20Co2Mn2Cu1.5@rGO 的 RZAB 顯示出 154 mW cm-2 的高峰值功率密度和 300 小時的超長循環(huán)壽命。這項(xiàng)工作標(biāo)志著在通過高結(jié)晶度石墨烯封裝開發(fā)高效穩(wěn)定的 HEA 電催化劑方面取得了重大進(jìn)展。

　　圖文導(dǎo)讀

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　　圖1、(a) Fe6Ni20Co2Mn2Cu1.5@rGO 的制備示意圖。(b) 短時間加熱和冷卻的溫度圖、高溫焦耳加熱步驟的光學(xué)圖像以及相應(yīng)的溫度分布。

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　　圖2 、(a) 所制備樣品的 XRD 圖。(b) Fe6Ni20Co2Mn2Cu1.5@rGO 的掃描電鏡圖像。(c)低倍和(d)高倍的 TEM 明視場圖像顯示了 Fe6Ni20Co2Mn2Cu1.5@rGO 納米粒子的分散情況。(e)(d)中 HEA 核心區(qū) 1 的 IFFT 圖像。(f) (d) 中石墨殼區(qū) 2 的高分辨率 TEM 圖像。(g) Fe6Ni20Co2Mn2Cu1.5@rGO 的高角度環(huán)形暗場掃描 TEM 圖像以及相應(yīng)的元素映射。

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　　圖3、 (a) Fe6Ni20Co2Mn2Cu1.5@rGO、Fe2Ni2Co2Mn1.5Cu1.1/rGO、Ni2.5Co2.3Mn1.4Cu1.2/rGO 和 IrO2 的線性掃描伏安法和 (b) 塔菲爾斜率。(c) Fe6Ni20Co2Mn2Cu1.5@rGO 在 10 mA cm-2 下的長期穩(wěn)定性測試。

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　　圖4、 DFT計(jì)算。(a) Fe6Ni20Co2Mn2Cu1.5@rGO 和 Ni2.5Co2.3Mn1.4Cu1.2/rGO 在 OER 過程中的吉布斯自由能階躍圖。(b) Fe6Ni20Co2Mn2Cu1.5@rGO 和 Ni2.5Co2.3Mn1.4Cu1.2/rGO 中 Ni 3d 軌道的預(yù)測狀態(tài)密度。

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　　圖5、 (a) Fe6Ni20Co2Mn2Cu1.5@rGO、Fe2Ni2Co2Mn1.5Cu1.1/rGO、Ni2.5Co2.3Mn1.4Cu1.2/rGO 和 Pt/C + IrO2 的放電極化曲線和相應(yīng)的功率密度圖。(b) RZABs 在 10 mA cm-2 下的靜電充放電循環(huán)穩(wěn)定性曲線。(c) RZAB 在不同電流密度下的充放電曲線。(d) RZAB 和各種電池中的 Fe6Ni20Co2Mn2Cu1.5@rGO 的拉貢圖。(e) 裝有四個FZAB的編織袋可為手機(jī)充電。

　　小結(jié)

　　綜上所述，本文通過一種簡單、經(jīng)濟(jì)的焦耳加熱法合成了封裝 Fe6Ni20Co2Mn2Cu1.5 納米粒子的多層 rGO。這種 HEA 納米粒子通過增加 Fe : Ni ：?Co ：?Mn : Cu 的進(jìn)料比為 8 : 8 : 1 : 1 : 1.從而形成了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，并表現(xiàn)出顯著的催化效率。得益于這種多層高結(jié)晶度 rGO 封裝的核殼結(jié)構(gòu)，我們的催化劑在 OER 中表現(xiàn)出卓越的催化活性和耐久性，超過了 IrO2 催化劑。最重要的是，含有 Fe6Ni20Co2Mn2Cu1.5@rGO 的 RZAB 在電流密度為 10 mA cm-2 的情況下，顯示出 800 mA h gZn-1 的超高比容量和 300 小時的循環(huán)壽命。這項(xiàng)工作提供了一種簡便的方法來制備具有 rGO 封裝層的納米粒子，從而提高了其導(dǎo)電性和穩(wěn)定性。

　　原位鏈接：

　　https://doi.org/10.1039/D3CC05069F