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加拿大國家科學研究所（INRS）Mohamed Mohamedi--先進鋅空氣電池與獨立式分級納米結構的空氣陰極用于鋅空電池

如今，通過在導電集電極表面直接生長非貴金屬電催化劑來開發獨立的(無粘結劑)空氣陰極將是降低界面電阻、提高機械穩定性的前沿策略。并降低最終重量和制造成本。在本研究中，針對鋅空氣電池(ZABs)，我們提出了一種創新的無粘結劑、無貴金屬分層納米結構雙功能空氣陰極，在這種空氣陰極中，高密度MnO_x納米棒(NRs)直接生長在由微纖維碳紙(CP)襯底上合成的碳納米管(CNTs)上。所有碳/MnO_x空氣陰極的比容量都非常接近820 mAh g_zn^-1的理論值。結果表明，在實際ZAB裝置中，這些陰極對氧還原/析氧反應具有良好的穩定性和雙功能電催化活性。作為手持式電子應用的概念驗證，以CP/MnO_x NRs為空氣電極和鋅陽極板組裝的ZAB成功地運行了14天的計時器, 而兩個ZAB基碳納米管/MnO_x陰極串聯為一個2V發光二極管(LED)燈泡和一個3V萬用表供電。所提出的策略和結果為ZABs、其他金屬空氣電池和燃料電池分層獨立式雙功能電催化劑的合理設計奠定了基礎。

圖1 (a) 相應樣品的XRD;(b)碳襯底上直接生長MnOx的拉曼光譜。

圖2 SEM形貌分析：(a1-a3) CP/MnO_x圖像;(b₁-b₃) Func CP/MnOx;(c₁-c₃)碳納米管/ MnOx;(d1-d3) Func CNTs-7/MnO_x;和(e1-e3) Func CNTs-15/MnO_x_。

圖3 XPS光譜分析：(a) XPS總譜;(b) Mn 2p，(c) Mn 2p_3/2，(d) O 1s。

圖4。ORR性能:(a)靜態CV曲線在O₂飽和0.1 M KOH電解液(實線)或N₂飽和0.1 M KOH電解液(點線)中，掃描速率為5 mV s^-¹;(b)在5mv s^-¹掃描速率下，RRDE電極在1600rpm下的LSV曲線; (c)由(b)中的LSV曲線導出的n; (d)由(b)中LSV曲線得出的過氧化物率。OER性能:(e)電容修正伏安曲線和(f) Tafel曲線。

圖5 Zn空氣電池性能:(a)設計制作Zn空氣電池器件，(b)極化曲線，(c)功率密度曲線，(d)比容量，(e) 2mA cm^-²時的恒流充放電性能。

圖6 電池循環試驗后陰極(a1-a3) CP/MnO_x、(b1-b3) Func CP/MnO_x、(c1-c3) CNTs/MnO_x、(d1 -d3) Func CNTs-7/MnO_x和(e1-e3) Func CNTs-15/MnO_x的SEM圖像。

圖7。電池使用陰極循環后鋅陽極的橫截面SEM圖像如下:(a1-a3)新鮮鋅板，(b1-b3) CP/MnO_x， (c1-c3) Func CP/MnO_x， (d1-d3) CNTs/MnO_x， (e1-e3) Func CNTs-7/MnO_x， (f1-f3) Func CNTs-15/MnO_x。

圖8 電池循環后鋅陽極的表征。(a) x射線衍射模式。(b)測量光譜、(c) Zn 2p光譜和(d) O 1s光譜的XPS光譜。

圖9 (a)和(b)單ZAB和雙ZAB的OCVs，分別用萬能表測量(c)電壓作為由單電池ZAB供電的計時器的時間函數。(d, e)兩個ZAB供電的LED燈泡的照片。(f, g) 10 kΩ電阻，用萬用表測量，使用CNT/MnO_x陰極串聯兩個ZABs。

相關科研成果由加拿大國家科學研究所（INRS）Mohamed Mohamedi等人于2021年發表在ACS Appl. Mater. Interfaces (https://doi.org/10.1021/acsami.1c22371)上。原文：Advanced Zinc−Air Batteries with Free-Standing Hierarchical Nanostructures of the Air Cathode for Portable Applications。

轉自《石墨烯研究》公眾號



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