电池研究又有新进展。而且荣登Nature,来自北京大学。


浩博体育分分彩计划群工学院的郭少军团队研发出一类新型电催化剂,与商业化的两种催化剂相比,相应指标高出78和327倍。


而且稳定性也相当优异:经过30000次循环后,性能衰减低于30%。


浩博体育分分彩计划群电催化,是将可再生能量转化为能源的基础技术。论文中表示,这一进展能够显著提升锌空电池和锂空电池的性能。

浩博体育分分彩计划群,北大研究团队研发新型电催化剂 大幅提高锂空电池性能

与现在广泛使用的电池相比,这两类电池具有更高的能量密度,将来也能够应用到电动汽车之中,对于其性能提升,会有极大帮助。


新型电催化剂


浩博体育分分彩计划群郭少军团队研发的新型电池催化剂,名为亚纳米厚且高端卷曲的双金属钯钼纳米片材料,在碱性电解质中展现出了更好的氧还原反应(Oxygen reduction reaction,ORR)电催化活性和稳定性。


其直接作用,是提升相关电化学能源转换/存储器件的性能。再往上游看,对于提高可再生电能的直接使用也有助益。


化石能源的日益枯竭其对环境气候造成了很大的负面影响,世界各国对于可再生清洁能源的重视度越来越高。


虽然各种新能源电厂正在大力建设,但以风能和太阳能为代表的可再生能源用起来并没有那么容易。


一是这些可再生能源天然具有间歇性(气候影响大)特征,而是常规电网在长途输电过程中会产生高电能损耗等等,直接限制了可再生电能的使用。


浩博体育分分彩计划群当然,也不是没有对应办法。


一种更有效的方式,就是用基于电化学转换器件,首先将可再生电能储存于含能分子的化学键中,再将这些含能分子运输至能源需求点,最后可控地释放化学能。


浩博体育分分彩计划群整个过程中,电化学反应“负责”此类化学能与电能之间的转换,其反应速率,直接决定了能源转换的效率以及电化学器件的运行功率。


所以,因此控制反应速率的电催化剂至关重要。


目前,最受关注的能源转换装置有两种:燃料电池和金属空气电池。


但这两类装置在转换的过程中会受到阴极ORR缓慢的动力学的影响,以及贵金属催化剂用量也非常高,从而极大限制了这两类能源技术的实际运用。


因此,开发出高性能低成本的ORR电催化剂对于提高电池性能以及能源转化效率,都有极大的促进作用。


怎么开发?不仅要用合适的材料,也要用对方法。


浩博体育分分彩计划群首先选材料。


铂族金属(Platinum group metals, PGMs)纳米材料,具备高活性和高稳定性等优势,是当前最常用的ORR电催化剂。


其次选方法。


浩博体育分分彩计划群郭少军团队在2016年发表于Science上的研究证明,理性控制金属纳米材料的表面应变可显著提高ORR电催化活性。


基于前期工作基础,他们研发出了一类新型的亚纳米厚且高度卷曲的双金属钯钼纳米片(结构类似于石墨烯),简称为“双金属烯”:

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△钯钼双金属烯的结构表征。(a-c)电子显微镜图片;(d, e)原子力显微镜图片及厚度分析;(f)球差透射电子显微镜图片


效果最高提升300多倍


这一催化剂材料的性能,也在论文给出的实验中得到了证实:


PdMo双金属烯的超薄结构,能显著提高贵金属Pd的原子利用率,实现超高的电化学活性面积(138.7 m2/gPd)。


在0.9 V(参比于可逆氢电极)电位下,其ORR的质量活性高达16.37 A/mgPd,较商业Pt/C和Pd/C催化剂分别高出78和327倍。


同时展现出优异的稳定性(30000圈循环扫描后,性能性能衰减低于30%)。


经过密度泛函理论计算研究发现,双金属合金效应、几何卷曲引起的应变效应以及亚纳米尺寸引起的量子效应,共同调控了表面Pd的电子结构,实现氧结合能的优化及氧还原催化性能的大幅提升)。


浩博体育分分彩计划群PdMo双金属烯同时表现出优于商业氧化铱(IrO2)催化剂的析氧反应(oxygen evolution reaction, OER)活性。

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△钯钼双金属烯的性能评价及催化机理研究。(a)各催化剂的ORR极化曲线及(b)活性对比图;(c)双金属烯的原子模型;(d)氧结合能与晶格应变的关系;(e)不同材料中Pd元素的d带中心位置


在北大工学院对郭少军的研究成果的介绍中,还着重强调了其对于锌空和锂空电池的充放电性能的提升。


这对于氧反应电催化机理研究,以及新型高效燃料电池/金属空气电池阴极电催化剂的开发来说,都具有借鉴意义,也能够为下一代高性能低成本电催化剂的理性设计提供了全新思路。


郭少军团队新研究


这一研究,是北大郭少军团队的又一新成果。


根据论文的署名信息,郭少军是论文的唯一通讯作者。

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郭少军2005年毕业于吉林大学化学学院,2005年保送到中国科学院长春应用化学研究所。


2010年12月获分析化学博士学位,之后在美国布朗大学化学系从事博士后研究。


博士后研究生涯结束后,郭少军在美国Los Alamos国家实验室做了两年研究。


2015年回国后,进入北京大学,是工学院材料科学与工程系、能源与资源工程系双聘研究员,博士生导师,也是国家青年千人计划学者。


主要从事催化、新能源、传感器和光电材料等领域的研究。根据北大工学院个人介绍页面,他已经在Science、Nature等国际著名学术期刊发表学术论文200篇和书章节4部。


其中,以通讯/第一作者发表影响因子大于10论文53篇、ESI Top 1%高被引论文41篇、ESI Top 0.1%热点论文7篇和单篇引用超过100次的41篇。


根据Google Scholar的数据,郭少军的研究引用已经超过了3万次,H因子为94。


这一研究的第一作者,是骆明川博士,此前在郭少军团队从事博士后研究,论文中署名单位是北京大学工学院材料科学与工程系。


此外,论文的合作者中,还有美国加州州立大学Gang Lu(卢刚)教授和美国布鲁克海文国家实验室Dong Su(苏东)研究员。


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