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山東大學王建軍、劉宏教授團隊在電化學儲能方面取得系列進展

來源：山東大學 2022-09-20

導讀：近日，山東大學晶體材料國家重點實驗室王建軍教授、劉宏教授團隊在電解水制氫、水系鋅電池研究方面取得系列新進展，相關(guān)研究成果分別以“Boosting the Stability of Oxygen Vacancies in α-Co(OH)2Nanosheets with Coordination Polyhedrons as Rivets for High-Performance Alkaline Hydrogen Evolution Electrocatalyst”為題，發(fā)表于國際期刊Advanced Energy Materials（IF=29.698）上，山東大學晶體材料國家重點實驗室2020年級博士研究生蔣立文為論文第一作者，王建軍教授、劉宏教授為通訊作者，山東大學為第一通訊單位；以“Ultra-Stable Aqueous Zinc Batteries Enabled by β-Cyclodextrin: Preferred Zinc Deposition and Suppressed Parasitic Reactions”為題，發(fā)表在國際期刊Advanced Functional Materials（IF=19.924）上，晶體材料國家重點實驗室2021級博士研究生孟超為論文第一作者，王建軍教授、張進濤教授、劉宏教授為通訊作者，山東大學為第一通訊單位。

電解水制取“綠氫”作為一種十分有潛力的手段，有望取代來自化石燃料的“灰氫”，促進氫能的可持續(xù)發(fā)展。由于電解反應通常需要在具有強離子強度的電解液中進行，才能達到工業(yè)化需求的電流密度，這使得電催化劑對局部化學環(huán)境非常敏感。在堿性電解液中，電催化劑的元素析出、溶解-再沉積和原位的相變也不可避免的影響著電極的催化活性和穩(wěn)定性，從而抑制堿性電解液中氫氧根離子對催化劑的刻蝕是保護催化劑的關(guān)鍵所在。因此深入理解電催化劑的結(jié)構(gòu)損壞和活性衰退以及探索有效的可以穩(wěn)定電催化劑晶體結(jié)構(gòu)和催化活性的策略具有重要意義。

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配位多面體穩(wěn)定α-Co(OH)2的示意圖

研究團隊報道了一種有效的策略，將配位多面體（MoO42?,WO42?）鉚釘在電極表面，可以穩(wěn)定在苛刻的堿性電化學條件下的α-Co(OH)2，制備了高性能的堿性HER電催化劑。理論計算和實驗結(jié)果表明，鉚釘在α-Co(OH)2表面的MoO42?不僅可以更好的穩(wěn)定氧空位，維持晶體結(jié)構(gòu)和組分；而且可以調(diào)控催化活性位點的電子結(jié)構(gòu)，促進水分子的裂解，優(yōu)化氫的吸附能，提升堿性HER性能。此外，電極與電解液界面處的MoO42?由于靜電斥力可以減少氫氧根離子在α-Co(OH)2上的積累，進一步提升HER的穩(wěn)定性。本研究工作為配位多面體離子在堿性電解質(zhì)中調(diào)節(jié)和增強α-Co(OH)2穩(wěn)定性提供了研究思路。

此外，水系鋅離子電池由于其低成本、高安全性和環(huán)境友好性被認為是有望代替鋰離子電池的候選者，在大規(guī)模儲能領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注。然而，鋅電極表面不均勻的電荷分布引起枝晶的不可控生長是導致電池失效的主要原因；加之活性水的電解使電極表面局部pH升高，促進了堿性鋅鹽副產(chǎn)物的產(chǎn)生，阻礙了離子的遷移并嚴重影響了電池的庫倫效率。抑制枝晶的生長和寄生反應從而穩(wěn)定鋅負極是促使鋅離子電池實現(xiàn)大規(guī)模實際應用的前提。

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環(huán)糊精調(diào)控作用機理示意圖及濃度影響

該研究團隊報道了通過具有疏水空腔和親水表面的大環(huán)超分子β-環(huán)糊精來調(diào)節(jié)鋅離子沉積取向，同時抑制副反應的策略。理論計算和實驗表明，β-環(huán)糊精能夠水平吸附到鋅負極表面使電極表面的電荷均勻分布，規(guī)范Zn2+的擴散路徑和沉積位點，防止其在電極表面無序的二維擴散。對鋅離子的均質(zhì)傳輸可以實現(xiàn)鋅離子沿Zn (002)平面取向沉積而不形成枝晶。同時，β-環(huán)糊精獨特的親疏水特性促進了鋅離子去溶劑化過程，有效抑制了析氫等寄生反應。

相關(guān)研究工作得到了國家自然科學基金、山東省自然科學基金、山東大學齊魯青年學者項目、深圳市面上項目等項目和晶體材料國家重點實驗室的大力支持。

原文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202202351

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202207732

參考資料：https://www.sklcm.sdu.edu.cn/info/1055/2449.htm

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