通過光熱過渡金屬硫化物異質結構推動耐極端溫度鋅-空氣電池的發展

理化（香港）有限公司2024年度優選論文

當前，鋰離子電池在儲能市場中占據主導地位，然而，現有的鋰離子電池技術面臨著能量密度不足（50-260 Whkg^-1）、運營成本高、安全隱患等挑戰，制約了其進一步發展和利用。下一代能量轉換和存儲系統的更換勢在必行。

鋅空氣電池（ZABs）因其卓越的理論能量密度 （1086Whkg^-1）、強大的安全性和成本效益而成為有前途的候選者，具有巨大的研究潛力。然而，ZABs中與氧還原反應（ORR）和析氧反應（OER）相關的緩慢動力學，阻礙了其實際應用。解決這些反應中動力學延遲的挑戰對于推進ZABs實際應用至關重要。

近日，溫州大學陳亦皇團隊在國際期刊《Energy & Environmental Science》發表題為《Advancing extreme-temperature-tolerant zinc–air batteries through photothermal transition metal sulfide heterostructures》重磅論文，論文研究一種由氧化石墨烯上負載的NiCo2S4@NiFe層狀雙氫氧化物（NiCo₂S₄@NiFe LDH/N-rGO）組成的光熱電催化劑。

NiCo₂S₄@NiFe LDH/N-rGO光熱電催化劑表現出顯著的雙功能活性，在光熱效應的影響下，E值為0.636V，遠遠超過大多數先進體系（通常>0.68V）。在25mA cm-2的高電流密度下，基于NiCo₂S₄@NiFe LDH/N-rGO的ZABs展現出了驚人的循環性能，在無光照條件下達到3410次循環，在光照條件下進一步延長到了8285次循環。

此外，當組裝柔性全固態ZABs時，光熱輔助下的可充電電池表現出出色的性能，包括最大功率密度（例如，25 ℃時為151.7mW cm^-2）、顯著的循環穩定性（例如，-40℃下超過3480次循環），以及從高溫（60 ℃）到極低溫（-40℃）的卓越靈活性。最后，通過原位拉曼光譜和模擬研究，揭示了光熱效應促進羥基氧化物的生成的關鍵作用，強調了光熱效應對電催化性能的有益影響。該論文研究對探索發展新型ZABs技術具有重要指導意義。

論文題目：Advancing extreme-temperature-tolerant zinc–air batteries through photothermal transition metal sulfide heterostructures

論文作者：溫州大學化學與材料工程學院 陳亦皇團隊

論文期刊：《Energy & Environmental Science》

論文分區：JCR一區TOP

影響因子：32.4

論文DOI：10.1039/d4ee03240c

該論文研究使用了理化（香港）有限公司提供的DSR數字型旋轉圓盤圓環電極裝置進行實驗，測定了NiCo₂S₄@NiFe LDH/N-rGO電催化劑的雙功能性能，以及轉移電子數與過氧化氫（H₂O₂）產量的測試，獲得良好的譜圖數據。   

實驗譜圖解析

在標準實驗中，實驗人員測量了電流密度為10 mA cm^-2（E_j=10）時的電位，以評估和比較合成催化劑與基準貴金屬催化劑的析氧反應（OER）活性。

如圖a所示，NiCo?S?@NiFe LDH/N-rGO的OER活性最高，E_j=10 =1.492 V，并且在近紅外（NIR）光照下，活性進一步提升。

在圖c中，對其穩定性進行了測試，在維持恒定電位10小時后，電流密度僅降低了12.7%，與商用RuO?催化劑（降低了23.7%）形成鮮明對比。同時，催化劑在光照10小時后也表現出優異的光穩定性，電流密度達到其初始值的89.3%。

圖d、e為ORR性能，NiCo?S?@NiFe LDH/N-rGO同樣展現出了較大的半波電位（E_1/2=0.809V），接近商用Pt/C催化劑的性能（E_1/2=0.834 V）。

同時，對其進行了穩定性測試，在10小時的ORR過程后光照下NiCo?S?@NiFe LDH/N-rGO的電流密度僅比初始值降低了6.8%。與商用Pt/C催化劑（顯著降低了27.5%）形成鮮明對比。

如圖g所示，計算得出NiCo₂S₄@NiFe LDH/N-rGO轉移的電子數約為4.0，這與通過旋轉環盤電極（RRDE）測量得出的約3.98的值非常接近。此外，值得注意的是，H₂O₂的產率低于1%（見圖g），這可以歸因于NiCo₂S₄@NiFe LDH/N-rGO在氧還原過程中直接生成了氫氧根離子。

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