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紹興文理學院《Energy Fuels》：聚苯胺衍生分層納米碳材料，用于鋅空氣電池

文章來源：新能源網(wǎng) 更新時間：2025-09-29 15:28:47

含氮納米碳材料在氧氣電催化和金屬空氣電池中發(fā)揮著關(guān)鍵催化劑作用。同時提高氮摻雜水平和石墨化程度對于提升催化性能和長期穩(wěn)定性至關(guān)重要。本文，紹興文理學院何冰副教授團隊在《Energy Fuels》期刊發(fā)表名為“Mechanochemical Synthesis of Polyaniline-Derived, Graphitized Hierarchical Nanocarbons for Efficient Oxygen Electrocatalysis and Zn-Air Batteries”的論文，研究提出一種新的機械化學聚合串聯(lián)碳化策略，用于設(shè)計含氮三維分級結(jié)構(gòu)納米碳材料（N-HNCs），該材料通過初級二維納米碳構(gòu)建單元自下而上的堆疊構(gòu)建而成。合成過程包括：以無水FeCl3為引發(fā)劑進行苯胺（ANI）的機械化學聚合，對所得聚苯胺（PANI）進行可控碳化，以及通過酸蝕去除鐵物種。

所得N-HNCs具有：巨大的布魯納-埃米特-泰勒（BET）比表面積（240-988 m²/g）、增強的石墨化程度、可調(diào)結(jié)構(gòu)的高氮含量、豐富的質(zhì)量傳輸納米通道以及適用于離子擴散的多功能界面。因此，N-HNCs被用作氧還原反應(yīng)（ORR）和氧析出反應(yīng)（OER）中高效且持久的電催化劑。例如，在ORR中，N-HNCs呈現(xiàn)出類似Pt/C的半波電位（0.846 V），在無金屬電催化劑中表現(xiàn)突出。該材料還可制備為可充電流動式柔性鋅空氣電池（ZABs）的空氣陰極，展現(xiàn)出高功率密度（185.1 mW·cm–2）、高比容量（808.17 mAh·gZn–1）、具備卓越的長期循環(huán)穩(wěn)定性（>400小時），并在5 mA·cm?²電流密度下實現(xiàn)60.8%的往返能量轉(zhuǎn)換效率。

3小結(jié)

本文開發(fā)了一種新型機械化學聚合法，以FeCl?為引發(fā)劑合成導電PANI。該PANI前驅(qū)體的直接碳化反應(yīng)生成具有分級結(jié)構(gòu)的含氮納米碳材料N-HNCs，其石墨化框架具有可調(diào)的氮含量。初級二維石墨化碳納米片經(jīng)隨機堆積形成三級三維分級多孔結(jié)構(gòu)，兼具卓越導電性、大比表面積、豐富質(zhì)量傳輸納米通道及可調(diào)離子擴散界面。所得N-HNCs展現(xiàn)出媲美Pt/C和RuO?基準材料的氧氣電催化性能，且顯著優(yōu)于多數(shù)已報道的無金屬碳催化劑。因此，N-HNCs可作為液態(tài)和固態(tài)電解質(zhì)中可充電ZABs的高性能空氣陰極。組裝ZABs的主要性能參數(shù)——最大功率密度、比容量、長期循環(huán)耐久性及高往返能量效率——甚至超越了商業(yè)化的Pt/C串聯(lián)RuO2電催化劑驅(qū)動的ZABs，后者在無金屬電催化材料中本已表現(xiàn)卓越。本研究為開發(fā)高效穩(wěn)定的納米碳材料在電化學儲能/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的應(yīng)用開辟了新途徑，從而確立了具有廣闊前景的功能性納米碳材料設(shè)計新原則。

文獻：

https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.5c03790

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