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能源领域最新进展集锦:单原子催化、锂硫电池、钠离子电池、电化学固氮

2019-03-10  Moia藏经阁

1.综述:钠离子电池

钠离子电池(Sibs)由于其制造所需资源丰富、成本低、性能与等效锂电池相似等优点,最近成为大中型固定储能设备的热门竞争者之一。然而,其发展也面临着循环稳定性差、速率性能不令人满意等挑战。在传统电极中,粘结剂通常用于将单个活性物质与导电添加剂结合在一起。不幸的是,粘合剂通常是电化学不活泼和绝缘的,这降低了总的能量密度,导致循环稳定性差。

因此,无粘结剂电极在提高电子导电性和电化学反应可逆性方面为高性能SiB提供了极大的机遇。这份综述概述了无粘结剂钠离子电极的最新进展。重点介绍了无粘结剂电极目前面临的挑战,并对其在能量转换和储存方面的应用前景进行了展望。

文章内容主要包括:

1.无模板法制备无粘结剂电极:基于石墨烯的无粘结剂电极的制备;碳纳米管无粘结剂电极的制备;基于碳纳米纤维的无粘结剂电极的制备;

2.模板辅助法制备无粘结剂电极:碳布基无粘结剂电极;基于碳纸基材的无粘结剂电极;

3.基于金属基体的无粘结剂电极:钛基无粘结剂电极;铜基无粘结剂电极;泡沫镍(NF)基基底。

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02综述:单原子催化剂

载体上的单金属原子催化剂以其最大的原子利用率和不饱和的配位环境成为催化剂领域的新前沿。单个金属原子以其独特的电子和结构特性,对各种化学反应具有独特的催化性能。然而,由于单金属原子催化剂具有较高的表面能和聚集趋势,因此制备稳定的单金属原子催化剂具有挑战性。

本文综述了近年来报道的单金属原子的制备方法,重点介绍了如何稳定这些单金属原子的迁移和聚集。此外,还详细讨论了单个金属原子的电化学转化和存储应用,重点介绍了氧还原反应、氧进化反应、氢进化反应和二氧化碳还原反应,以及它们在电池中的应用。最后,论述了当前该领域发展面临的挑战和机遇。

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03锂硫电池

锂硫电池被认为是最有前途的下一代储能系统之一。然而,锂枝晶的形成和锂多硫化物的穿梭效应严重削弱了其电化学性能,阻碍了其实际应用。

本文报道了一种新型的局域高浓度电解质,通过在高浓度电解质中加入惰性氟烷基醚来抑制锂锂枝晶的形成,使高阶多硫化物在电解质中的溶解度降到最低。从而减少了电池中的电解质含量。这种独特的局部高浓度电解质可获得99.3%的脱嵌锂的库仑效率且完全抑制穿梭效应,从而使硫阴极容量保持在电解质浓度仅为4 5 6g A−1h−1条件下,循环150次循环后容量为775mAhg−1。LHCE降低了多硫化锂的溶解度,使Li / S电池在贫电解质中实现了超高性能。这种在高浓度电解质中使用惰性稀释剂的概念可以加速Li-S电池技术的商业化。

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04电化学固氮

通过电化学固氮的方法将环境的氮气转化为氨气的关键时是设计出能够用简单的方法合成的表面缺陷丰富、分散性好、导电性高、比表面积大且催化效率高的电化学催化剂。

受MXene含有亚稳态边缘过渡金属原子的启发,通过对Ti3C2Tx MXene进行一步乙醇热处理,在Ti3C2Tx纳米片上原位生长了富氧空位TiO2纳米粒子。氧空位是NH3合成的主要活性中心。未经处理的高导电性Ti3C2Tx纳米片不仅可以促进TiO2纳米粒子的电子输运,而且可以避免TiO2纳米粒子的自聚集。同时,TiO2纳米粒子的产生也能提高Ti3C2Tx的比表面积。

相应地,制备的电催化剂的氨产率为32 17μg h−1 mg−1 CAT。在0.1mHCl中,−0.55V对可逆氢电极的电催化效率为16.07%,−0.45V时的法拉第效率为16.07%,是最有发展前途的NRR型电催化剂之一。此外,密度泛函理论计算证实了TiO2(101)/Ti3C2Tx和Ti3C2Tx或TiO2(101)的氮气还原反应的能垒相比最低(0.40 eV)。

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05单原子催化剂

单原子催化剂(SAC)旨在弥合均相催化和多相催化之间的差距。所面临的挑战是发展具有配体的材料,使不同价态的金属原子能够相互协调,并防止浸出或形成纳米粒子。

本文采用用腈基官能化的石墨烯(cyanographene)来稳定配位Cu(II)离子,由于石墨烯诱导的电荷转移,Cu(II)离子部分还原为Cu(I)。灵感来源于自然界对铜(I)在氧活化酶中的选择,这种二维混合价单原子催化剂在两种O2介导的反应中表现完美:胺的氧化偶联和苯基C-H键向高价值药物合成器的氧化。

在反应中金属负载很低的情况下,可获得高转化率(高达98%)、选择性(高达99%)和可回收性。Cu(II)和Cu(I)的协同作用是反应机理的重要组成部分。通过与石墨烯的不同官能团的协同作用,该策略为其他单原子催化剂的广泛应用打开了大门。

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