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【導言】

隨著人們對動力需求的急劇增加導致了化石燃料敏捷消耗，然后引發(fā)了環(huán)境問題的迸發(fā)。研討與開展清潔和可繼續(xù)動力存儲與變換體系成為了當今不行避免的課題。現(xiàn)在，在不同能量存儲和變換類型中，可充電充電機充電鋅空電池因為成本低、環(huán)境友好、安全功用高、比能量密度高級優(yōu)勢引起了人們的廣泛重視，在未來動力使用領域起著不行短少的效果。然而關于可充電充電機充電鋅空電池而言，最大的難題是開發(fā)高效廉價的非貴金屬雙功用催化劑，以進步氧氣在氧復原以及氧分出反響進程中緩慢的動力學，然后進一步進步電池的充放電功率，削減能量損耗。碳載金屬氧化物復合資料因為具有杰出的氧復原或氧分出反響活性被人們廣泛研討。其間MnOX因為具有豐厚的氧化態(tài)以及共同的化學組成與晶型結(jié)構(gòu)成為公認的氧復原催化劑。此外，作為過渡金屬的Ni、Co與MnOX的復合資料現(xiàn)已被廣泛報道為高功用雙功用催化劑。而碳載過渡金屬Fe與MnOX的復合資料卻很少有人重視。因而怎么制備作為高活性與高穩(wěn)定性的碳載鐵錳氧化物雙功用催化劑依然存在應戰(zhàn)。

【效果簡介】

近來，東華大學環(huán)境學院喬錦麗教授課題組在Science Bulletin上宣布題為“A novel composite (FMC) to serve as a durable 3D-clam-shaped bifunctional cathode catalyst for both primary and rechargeable zinc-air batteries.”的文章，研討經(jīng)過兩步水熱組成及高溫焙燒法分別規(guī)劃、組成了鐵-錳-碳基（FMC）系列催化劑。該催化劑呈現(xiàn)出共同的描摹——三維蛤形，具有較大的比外表積。經(jīng)過改動不同的焙燒時刻制備出不同描摹和活性的FMC-x催化劑，并使用線性伏安法掃描、突變電流發(fā)電、長期恒流放電以及恒流充放電等辦法對催化劑活性和鋅空一次以及二次電池功用進行測驗，選用掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）、X-射線衍射（XRD）、物理吸脫附比外表積（BET）等物理光譜表征辦法對催化劑的微觀描摹結(jié)構(gòu)、催化劑的外表組成成分及催化劑的比外表積進行表征。一起，其間FMC-3的催化活性以及雙功用功用顯著優(yōu)于貴金屬催化劑、同類型的其他催化劑以及催化劑單體。開路電壓(OCV)到達1.48V，功率密度到達349 mW cm-2，遠優(yōu)于20% Pt/C催化劑的118 mW cm-2，一起取得比容量密度780 mAh g-1。此外，在多種充放電條件下亦表現(xiàn)出優(yōu)異的充放電穩(wěn)定性，而且結(jié)合物理表征技能剖析催化劑電化學測驗前后描摹的改動，經(jīng)過制備其它單體催化劑以及改動熱處理條件，剖析了三元催化劑的構(gòu)成進程及催化機制。

【圖文導讀】

圖. 催化劑制備進程及其在充電機充電鋅空電池中的使用示意圖

（a）催化劑的組成工程；            

（b）催化劑在充電機充電鋅空電池中使用

2. 催化劑的SEM圖

（a-c）MnO2催化劑的SEM圖；              

（d-f）FMC-3的SEM圖

3. 催化劑的TEM圖

（a-c）FMC-3的TEM圖；    

（d）FMC-3的HRTEM圖及FFT圖

4. 催化劑的XRD及EDS的剖析

（a-b）催化劑的XRD圖；                

（c）FMC-3的EDS圖；                        

（d）FMC-3催化劑的元素比例圖

5. 催化劑的氧復原以及氧分出功用

-b）不同催化劑的線性掃描圖；

（c）FMC-3的電化學穩(wěn)定性測驗圖；

（d）FMC-3催化劑在不同轉(zhuǎn)速下的線性掃描圖，插圖為電子搬運圖

6. 催化劑在一次充電機充電鋅空電池中的使用及功用

（a）一次充電機充電鋅空電池示意圖；                                                        

（b）不同催化劑的極化曲線與功率密度圖；

（c）FMC-3催化劑極化曲線與功率密度穩(wěn)定性圖；            

（d）長期恒流放電圖；

（e）比容量密度圖；                                                                    

（f）庫侖功率圖

7. 催化劑在可充式充電機充電鋅空電池中的使用及功用

（a）可充式充電機充電鋅空電池示意圖；

（b）不同催化劑的充放電極化曲線圖;

（c）不同催化劑的充放電圖，循環(huán)條件為電流密度30mAcm-2，充放電時刻1小時; FMC-3催化劑的充放電圖，

（d）循環(huán)條件為電流密度20mAcm-2，充放電時刻10分鐘;

（e）循環(huán)條件為電流密度100mAcm-2，充放電時刻4小時;

（f）循環(huán)條件為電流密度60mAcm-2，充電1小時；電流密度15mAcm-2，放電4小時

【小結(jié)】

怎么開發(fā)高效廉價的非貴金屬雙功用催化劑關于充電機充電鋅空電池而言一直是應戰(zhàn)性難題。東華大學喬錦麗教授課題組經(jīng)過溫文的水熱法制備出高活性的FMC系列催化劑，該催化劑呈現(xiàn)出共同的描摹——三維蛤形，具有較大的比外表積。該催化劑展現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性、穩(wěn)定性以及杰出的電池功用， FMC-3的催化活性以及雙功用功用顯著優(yōu)于貴金屬催化劑、同類型的其他催化劑以及催化劑單體。開路電壓(OCV)到達1.48V，功率密度到達349 mW cm-2，遠優(yōu)于20% Pt/C催化劑的118 mW cm-2，一起比容量密度高達780 mAh g-1。

【稱謝】

上述研討得到了國家天然科學基金(U1510120)、上海市世界合作學術交流項目(14520721900)、外國專家局高校要點引智項目、東華大學研討生立異基金(EG2017031和EG2016034)以及東華大學纖維改性國家要點實驗室和國家環(huán)境保護紡織工業(yè)污染防治工程技能中心等的支撐。

【通訊作者簡介】

喬錦麗，東華大學環(huán)境科學與工程學院教授、博士生導師、先進電化學動力環(huán)境學科帶頭人。結(jié)業(yè)于日本國立山口大學大學院理工學研討科物質(zhì)工學獲博士學位，后就任日本工業(yè)技能綜合研討所(National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, AIST）研討員。2008年當選上海市“浦江人才”支撐方案。擔任世界電化學動力科學院(IAOEES) 副主席兼理事，我國硅酸鹽學會固態(tài)離子學分會理事會理事，我國膜工業(yè)協(xié)會電驅(qū)動膜專家委員，上海市歐美協(xié)會理事。Electrochemical Energy Review雜志副主編，Green Energy & Environment和Frontiers in Energy Researh雜志編委，Applied Energy, Electrochim.  Acta及Int. J. Hygrogen Energy 特邀修改，世界著名學術出版社CRC Press審理人。擔任英國工程和天然科學研討委員會（EPSRC）2016-2020五年方案嚴重世界合作項目"Liquid Fuel and bioenergy Supply from CO2 Reduction"中方專家組成員。榮獲2013/2014年上海市優(yōu)異學位碩士生論文導師3篇，2014年上海市“育才獎”，2015年東華大學“三八紅旗手”，東華大學“五四”青年標兵團體稱謂，2016年東華大學“先進電化學動力特征團支部”，2011-2017年度東華大學先進安全辦理演示研討室以及先進個人等稱謂。先后主持國家天然科學基金、國家天然科學基金嚴重基金、留學人員歸國基金、教育部博士導師基金、上海市教委立異項目、上海市科委世界合作項、高端別傳引智項目等10多項。以榜首作者/通訊作者宣布包含Chem. Soc., Rev. Adv. Energy Mater, Sci. Rep., Green Chem., J. Catalysis, Appl. Catalysis B: Environ., J. Mater. Chem., J. Power Sources, Appl. Energy, Electrochim. Acta., Electrochem. Commun.等SCI論文100多篇，請求/授權(quán)日本和我國發(fā)明專利30多項。編撰和編著世界電化學動力系列專著包含《Electrochemical Reduction of Carbon Dioxide: Fundamentals and Technologies》,《Electrolytes for Electrochemical Supercapacitors》,《Electrochemical Polymer Electrolyte Membranes》, 《Graphene: Theory, Synthesis, and Energy Applications》, 《Hydrocarbon Polymer Electrolytes for Fuel Cell Applications》等4部/8章節(jié)。美國化學會、美國電化學會、世界電化學會、世界電化學動力科學院以及我國化學會、我國化工學會及氫能學會等會員。首要研討領域：燃料電池、金屬-空氣電池、CO2電化學復原、超級電容器以及環(huán)境難降解有機廢水的電化學處理技能。一起熱忱歡迎對電化學、電催化和動力資料研討感興趣的優(yōu)異學生報考東華大學環(huán)境科學與工程學院喬錦麗教授先進電化學動力與環(huán)境資料/器材研討室攻讀碩士和博士學位。