加拿大国家科学研究所（INRS）Mohamed Mohamedi--先进锌空气电池与独立式分级纳米结构的空气阴极用于锌空电池

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如今，通过在导电集电极表面直接生长非贵金属电催化剂来开发独立的(无粘结剂)空气阴极将是降低界面电阻、提高机械稳定性的前沿策略。并降低最终重量和制造成本。在本研究中，针对锌空气电池(ZABs)，我们提出了一种创新的无粘结剂、无贵金属分层纳米结构双功能空气阴极，在这种空气阴极中，高密度MnO_x纳米棒(NRs)直接生长在由微纤维碳纸(CP)衬底上合成的碳纳米管(CNTs)上。所有碳/MnO_x空气阴极的比容量都非常接近820 mAh g_zn^-1的理论值。结果表明，在实际ZAB装置中，这些阴极对氧还原/析氧反应具有良好的稳定性和双功能电催化活性。作为手持式电子应用的概念验证，以CP/MnO_x NRs为空气电极和锌阳极板组装的ZAB成功地运行了14天的计时器, 而两个ZAB基碳纳米管/MnO_x阴极串联为一个2V发光二极管(LED)灯泡和一个3V万用表供电。所提出的策略和结果为ZABs、其他金属空气电池和燃料电池分层独立式双功能电催化剂的合理设计奠定了基础。

图1 (a) 相应样品的XRD;(b)碳衬底上直接生长MnOx的拉曼光谱。

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

图3 XPS光谱分析：(a) XPS总谱;(b) Mn 2p，(c) Mn 2p_3/2，(d) O 1s。

图4。ORR性能:(a)静态CV曲线在O₂饱和0.1 M KOH电解液(实线)或N₂饱和0.1 M KOH电解液(点线)中，扫描速率为5 mV s^-¹;(b)在5mv s^-¹扫描速率下，RRDE电极在1600rpm下的LSV曲线; (c)由(b)中的LSV曲线导出的n; (d)由(b)中LSV曲线得出的过氧化物率。OER性能:(e)电容修正伏安曲线和(f) Tafel曲线。

图5 Zn空气电池性能:(a)设计制作Zn空气电池器件，(b)极化曲线，(c)功率密度曲线，(d)比容量，(e) 2mA cm^-²时的恒流充放电性能。

图6 电池循环试验后阴极(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图像。

图7。电池使用阴极循环后锌阳极的横截面SEM图像如下:(a1-a3)新鲜锌板，(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。

图8 电池循环后锌阳极的表征。(a) x射线衍射模式。(b)测量光谱、(c) Zn 2p光谱和(d) O 1s光谱的XPS光谱。

图9 (a)和(b)单ZAB和双ZAB的OCVs，分别用万能表测量(c)电压作为由单电池ZAB供电的计时器的时间函数。(d, e)两个ZAB供电的LED灯泡的照片。(f, g) 10 kΩ电阻，用万用表测量，使用CNT/MnO_x阴极串联两个ZABs。

相关科研成果由加拿大国家科学研究所（INRS）Mohamed Mohamedi等人于2021年发表在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。

转自《石墨烯研究》公众号



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