SmartMat |研究论文：硼掺杂调节PtNi纳米合金的表面电子结构用于具有低过电位和长寿命循环性能的高电流密度Li-O2电池
学术
科技
2024-11-21 10:55
天津
Yajun Ding, Yuanchao Huang, Yuejiao Li, Tao Zhang*, Zhong-Shuai Wu*. Regulating surface electron structure of PtNi nanoalloy via boron doping for high-current-density Li-O2 batteries with low overpotential and long-life cyclability. SmartMat. 2024; 5:e1150.
https://doi.org/10.1002/smm2.1150
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高效、可逆、稳定和安全的锂离子电池的实现受到大过电位和副反应的严重阻碍，特别是在高倍率条件下。因此，合理设计具有高活性和稳定性的阴极催化剂是克服大电流密度下严重问题的关键。在此，我们报告了一种表面工程策略，以调整碳纳米管（PtNiB@CNTs）上硼(B)掺杂PtNi纳米合金的表面电子结构，作为高速率和长寿命Li-O2电池的高效双功能阴极催化剂。值得注意的是，使用PtNiB@CNT催化剂组装的Li-O2电池在1000 mA/g的高电流密度下具有20510 mA·h/g的超高放电容量和0.48 V的极低过电位，这两者都优于最近报道的大多数Pt基催化剂。同时，我们的Li-O2电池具有出色的倍率性能和超长的循环寿命，在1000 mA h/g的固定容量下，以1000 mA/g的电流达到210次循环，是Pt@CNTs和PtNi@CNTs的两倍。此外，通过B掺杂对PtNi纳米合金进行表面工程，可以有效地调整纳米合金的电子结构，优化氧的吸附，从而提供优异的Li-O2电池性能。因此，这种通过掺杂非金属元素来调节纳米合金的策略将为设计金属氧电池的高性能催化剂铺平道路。
图 1. PtNiB@CNTs的合成及形貌表征。(A) PtNiB@CNTs合成示意图，(B) TEM图像，(C) HAADF-STEM图像（插图：尺寸分布），(D) PtNiB@CNTs的HRTEM图像。(E) 中选定矩形区域的(F) C、(G) Pt、(H) Ni和(I) B元素的HAADF-STEM图像和EDS映射。图 2. PtNiB@CNTs的相和电子结构。(A) PtNiB@CNTs, PtNi@CNTs， Pt@CNTs和NiB12@CNTs的XRD图谱和(B)从(A)中选择的放大倍数。(C) PtNiB@CNTs的XPS光谱。(D) PtNiB@CNTs， PtNi@CNTs和Pt@CNTs的高分辨率Pt 4f XPS光谱。(E) PtNiB@CNTs， PtNi@CNTs和NiB12@CNTs的高分辨率Ni 2p XPS光谱。
图 3. PtNiB@CNT锂氧电池电催化剂的电化学性能。(A) PtNiB@CNT基 Li-O2电池示意图。(B)电流密度为1000 mA/g、固定容量为1000 mA·h/g时具有代表性的充放电曲线。(C)在100 mA/g下得到2.0~4.5 V的完整放电/充电曲线。(D) 4.5~2.0 V下 0.1 mV/s时的Nyquist图(E)固定容量为1000 mA·h/g、电流密度为200~500~1000 mA/g时的倍率性能及(F) PtNiB@CNT阴极不同循环下的充放电曲线。(G) PtNiB@ CNT、PtNi@CNT、Pt@CNT和NiB12@CNT电催化剂在1000 mA/g和1000 mA·h/g固定容量下的放电/充电端电压。(H) PtNiB@CNT 基 Li-O2电池的放电/充电过电压和初始完全放电容量与先前报道的比较。
图 4. Li-O2电池PtNiB@CNT阴极放电/充电机理分析。（A-C） PtNiB@CNT基阴极(A)初始阶段的SEM图，(B)完全放电至2.0 V后的SEM图，(C)完全充电至4.5 V后的SEM图。(D) PtNiB@CNT基阴极不同阶段的Nyquist图和(E) XRD图。(F) PtNiB@CNT阴极在0.5 mmol/L Ce4+和0.5 mol/L H2SO4中浸泡不同阶段的照片(i：原始Ce4+水溶液；ii：初始阶段；iii：首次放电后；iv：第一次充电后；v：完全放电后至2.0 V)。图 5. PtNi和PtNiB的电子结构和自由能图的模拟计算。(A) PtNi, (B) PtNiB和(C) PtNi和(D) PtNiB吸附的LiO2的ELF图。（E, F）计算Li-O2电池在(E) PtNi@CNTs和(F) PtNiB@CNTs电催化剂上的ORR/OER反应的自由能图。
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作者简介
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吴忠帅，研究员、博士生导师、国家杰出青年科学基金获得者、中组部引进高层次青年人才、中科院特聘核心岗位人员、英国皇家化学会会士，于2015年6月加入中国科学院大连化学物理研究所任职二维材料化学与能源应用研究组组长，主要致力于二维材料化学与微纳电化学能源应用的基础研究，包括微型储能器件、超级电容器、先进电池等。特别是针对可穿戴和微电子系统储能器件的国家重大需求，其在国际上较早开展了微型电化学能源材料与器件的系统研究。主要研究方向：1. 高质量石墨烯的制备、组装和应用；2. 其他新型二维能源材料；3. 高性能平面化、功能化微型储能器件及其不同应用场景微系统集成；4. 其他新型高效电化学储能器件；5. 二维材料催化。
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