【材料】胡良兵课题组EES：瞬间原位合成超细钌纳米颗粒用于高倍率Li-CO2电池

　胡良兵教授课题组 EES：瞬间原位合成超细钌纳米颗粒用于高倍率 Li-CO2 电池

　【引言】

　Li-CO 2 电池利用 CO 2 进行电化学储能，具有能量密度高的特点。然而，Li-CO 2 电池的放电产物 Li 2 CO 3 ，在充电过程中需要高电压才能够分解。含碳基体上担载金属纳米颗粒有利于提高 Li-CO 2电池反应的可逆性。湿化学法是一种简单、廉价、可持续制备碳载金属颗粒的方法，然而，纳米颗粒在较长的反应时间、高压条件或热处理条件下易于发生团聚，进而失去一定的催化活性。此外，碳基体的物理和化学性质对金属纳米颗粒的尺寸分布、担载量和可分散性有显著的影响。

　【成果简介】

　近日，以乔芸/徐劭懋为共同第一作者，马里兰大学胡良兵教授（通讯作者）课题组，在 Energy Environ. Sci.上报道了采用瞬间热冲击法，原位合成出活化碳纳米纤维（ACNF）担载超细钌纳米颗粒，将其作为正极，组装的 Li-CO 2 电池丌仅循环性能出色，而且过电位低。在电流密度为 0.1 A g –1 条件下，经过 50 个循环，其过电位为 1.43V。在 0.8 和 1.0 A g –1 的高电流密度下，电池过电位仅为 1.79 和 1.81 V，表明钌纳米颗粒催化剂可以促进 CO 2和 Li 2 CO 3 的可逆反应。因此，这种方法为制备高性能 Li-CO 2 电

　池提供了全新的制备方法，并有望应用于催化和其它可再生能源储能技术。

　【图文导读】

　 图 1. (a) 碳纳米纤维 (CNF) 和 (b) 活化碳纳米纤维 (ACNF) 负载钌纳米颗粒的过程示意图.

　图 2. 钌纳米颗粒的合成和表征

　 (a) 热冲击前和热冲击过程中的 ACNF-RuCl 3 膜；(b) 波长范围为 464 - 867 nm 的发射光谱； (c) 0-100 ms 的热冲击的温度-时间曲线；(d-f) Ru/CNF 的 SEM 图、TEM 图和纳米颗粒的尺寸分布；(g-i) Ru/ACNF 的 SEM 图 (g)、TEM 图 (h, j)、HRTEM 图 (k) 和纳米颗粒的尺寸分布 (i)；(l) Ru/ACNF 的

　SAED 图；(m-n) Ru/CNF 电极和 Ru/ACNF 电极的截面 SEM图；(o) 截面 SEM 图中标记位置的 EDX 图。

　 图 3. Ru/ACNF 正极的电化学性能

　 (a) Ru/CNF 和 Ru/ACNF 在电流密度为 1 A g –1 时的充放电曲线；(b) Ru/ACNF 在第 1 个、第 2 个、第 10 个、第 20 个、第 50 个循环的充放电曲线；(c) 循环过程中的充放电的截至电压；(d) 丌同电流密度下 Ru/ACNF 的充放电曲线；(d) 丌同电流密度下 Ru/ACNF 的放电放电截至电压；(f) 过电位的对比。

　 图 4. 循环后 Ru/ACNF 正极的表征

　(a) 放电后 Ru/ACNF 正极的 SEM 图；(b) 放电后 Ru/ACNF正极的 TEM 图；(c) 放电后 Ru/ACNF 正极的示意图；(d) 首次 充 电 后 Ru/ACNF 正 极 的 SEM 图 ； (e) 首 次 充 电 后Ru/ACNF 正极的 TEM 图；(f) 首次充电后 Ru/ACNF 正极的示意图；(g) 完全放电和充电后 Ru/ACNF 正极的 XRD 图；(h) 完全放电和充电后 Ru/ACNF 正极的 XPS 图；(i) 充电过程中的 Ru/ACNF 正极的产气速率。

　 【小结】

　胡良兵教授团队合成担载在 ACNF 上的钌纳米颗粒作为 Li-CO 2电池正极。钌纳米颗粒均匀地锚定在 ACNF 上，增加了反应位点。相互交联的纳米纤维间的空隙，为 CO 2 的扩散提供了通道。同时，ACNF 具有的多孔结构，丌仅有利于电解液渗入，促进锂离子传输，也为 Li 2 CO 3 沉积提供了空间。因此，Ru/ACNF 正极表现出优异的倍率性能。这项研究为开发循环性能和倍率性能优异的 Li-CO 2 电池电极材料提供了全新的制备方法，这种方法同时也可应用于催化和其它可再生的储能技术。南京大学何平教授团队提供了差分电化学质谱的测定和分析。