可充電鋅-空氣電池被認(rèn)為是很有潛力的下一代能量?jī)?chǔ)存器件，然而其不盡人意的循環(huán)壽命制約著其大規(guī)模的發(fā)展和應(yīng)用。提升可充電鋅-空氣電池循環(huán)壽命的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一在于提升空氣電極的穩(wěn)定性。由于電池的充電過(guò)程（氧析出反應(yīng)，OER）與放電過(guò)程（氧還原反應(yīng), ORR）具有不同的微環(huán)境需求，導(dǎo)致空氣電極的雙功能催化劑在充放電循環(huán)過(guò)程中不穩(wěn)定，使電池性能逐漸衰減。針對(duì)于此，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)聯(lián)合新加坡國(guó)立大學(xué)等多家單位，設(shè)計(jì)出一種“自解耦”的空氣電極，極大地提升了空氣電極的穩(wěn)定性及鋅-空氣電池的循環(huán)壽命。同時(shí)，作者使用美國(guó)easyXAFS公司的臺(tái)式X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜儀-XAFS/XES對(duì)電池材料的精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。該設(shè)備無(wú)需同步輻射光源，可在常規(guī)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中測(cè)量X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜和X射線發(fā)射譜，得到可以媲美同步輻射水平的譜圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)元素的定性和定量分析、價(jià)態(tài)分析、配位結(jié)構(gòu)解析等。

臺(tái)式X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜儀-XAFS/XES

      “自解耦”空氣電極的設(shè)計(jì)原理如圖1所示。圖1a展示了傳統(tǒng)空氣電極的微觀結(jié)構(gòu)，雙功能催化劑被直接負(fù)載在碳紙電極上，在充電過(guò)程的高電壓下，OER過(guò)程會(huì)伴隨著催化劑本身的電化學(xué)氧化。圖1b展示了“自解耦”空氣電極的微觀結(jié)構(gòu)，其中加入了磺酸摻雜聚苯胺（S-PANI）中間層，其電導(dǎo)率可隨充放電電位切換，從而將OER和ORR反應(yīng)分離開(kāi)來(lái)。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)電池充電時(shí)，OER部分的催化劑助力氧析出反應(yīng)，而ORR部分催化劑由于S-PANI中間層的絕緣而保持惰性，從而避免被電化學(xué)氧化。而在放電過(guò)程中，S-PANI中間層變得導(dǎo)電，ORR部分的催化劑可促進(jìn)氧還原反應(yīng)。

圖1. (a) 傳統(tǒng)空氣電極結(jié)構(gòu)示意圖。（b）自解耦空氣電極結(jié)構(gòu)示意圖。

        圖2展示了空氣電極的雙功能催化劑ZnCoP/NC的合成過(guò)程(圖2a)及表征結(jié)果（圖2b-2g）。作者利用臺(tái)式X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜儀-XAFS/XES，在室溫條件下，使用Si (533) 單色器，測(cè)試了Co元素K-邊的X-射線吸收譜。圖2f展示了X-射線吸收近邊結(jié)構(gòu)譜（XANES）, ZnCoP/NC與Co箔相似。圖2g展示了X-射線吸收擴(kuò)展邊精細(xì)結(jié)構(gòu)譜的傅里葉變換圖（FT-EXAFS）, 其中1.6 和 2.5 ? 分別指向Co-P鍵和Co-Co鍵，證明ZnCo-P/NC的主相是磷化鈷。該實(shí)驗(yàn)從材料價(jià)態(tài)與局域配位環(huán)境的角度，解析了雙功能催化劑ZnCoP/NC的精細(xì)結(jié)構(gòu)。

圖2 (a) ZnCo-P/NC的合成過(guò)程。ZnCo-P/NC的（b）SEM圖，（c）TEM圖，（d）高分辨TEM圖，（e）EDS-mapping圖，（f）Co-K邊 XANES, (g) FT-EXAFS。

      該項(xiàng)成果以“Self-Decoupled Oxygen Electrocatalysis for Ultrastable Rechargeable Zn-Air Batteries with Mild-Acidic Electrolyte“為題目，發(fā)表于國(guó)際期刊ACS Nano。

原文鏈接：

https://pubs.acs.org/action/showCitFormats?doi=10.1021/acsnano.3c05845&ref=pdf

臺(tái)式X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜儀-XAFS/XES測(cè)試數(shù)據(jù)展示：

      近期，QD北京樣機(jī)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試了低質(zhì)量含量的Pt、Cu樣品，結(jié)果表明，臺(tái)式X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜儀在測(cè)試1 wt%級(jí)別的低含量元素時(shí)也可獲得與同步輻射光源數(shù)據(jù)高度吻合的優(yōu)質(zhì)譜圖，可為單原子催化劑等領(lǐng)域的研究提供有力支持。

1 wt% Pt@Al₂O₃

0.9 wt% Cu@CBN

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