新型催化劑提高水系鋅碘電池穩定性
傳統的鋅碘電池面臨活性碘溶解和多碘化物穿梭的問題，前者會降低電池容量和使用壽命，后者則影響電池的能量效率和長期穩定使用。水系鋅碘電池因其高安全性、高能量密度、低成本和環保屬性而受到廣泛關注。然而，活性碘溶解和多碘化物穿梭是阻礙水系鋅碘電池應用的兩大障礙。
為了解決這些問題，設計合成具有高比表面積、強化學吸附能力、豐富活性位點和快速碘氧化還原反應動力學的催化劑型載碘正極材料顯得尤為重要。海南大學海洋科學與工程學院副教授邢振月、史曉東和教授田新龍團隊研究發現，將鐵鈷鎳原子摻雜多孔碳催化劑作為功能載體材料可以推動水系鋅碘電池循環穩定工作。
研究團隊通過活字印刷法，精確合成鐵、鈷、鎳等單原子個體作為“活字”模板，選擇具有高比表面積、豐富孔隙結構和良好導電性的活性炭、碳納米管、石墨烯等合適的多孔碳材料作為“紙張”。在將二者按照一定的比例混合后，通過物理或化學方法實現單原子對多孔碳的負載。負載后的混合物經過高溫處理，鐵鈷鎳原子能夠“點對點”地印刷到碳載體上，形成穩定的化學鍵合，從而得到鐵鈷鎳原子摻雜多孔碳催化劑。
理論計算和實驗數據表明，鐵鈷鎳原子摻雜多孔碳催化劑具有較高的比表面積和豐富的摻雜位點，對碘的化學吸附能力強，對碘氧化還原反應動力學具有較高的催化活性。這些結構優勢有效抑制了活性碘溶解和多碘化物穿梭，確保了鋅碘電池持久的循環穩定性。
具體而言，催化劑的高比表面積提供了更多的活性位點，增強了與碘的相互作用，從而減少了活性碘的溶解。同時，催化劑的強化學吸附能力有效固定了碘分子，減少了多碘化物的穿梭效應，提高了電池的能量效率和循環穩定性。
此外，研究團隊還對合成的催化劑進行了優化處理，使其更適合于具體的應用需求。優化后的催化劑在鋅碘電池中表現出了優異的性能，不僅在高電流密度下具有高的倍率性能，還在長期循環中保持了高的容量保持率。即使在實用條件下，如低溫和高倍率充放電，電池也能實現可逆運行。
這一研究成果不僅為水系鋅碘電池的發展提供了新的思路，也為其他類型電池的研發提供了有益的借鑒。鐵鈷鎳原子摻雜多孔碳催化劑的制備簡單，易于大規模生產，具有良好的應用前景。未來，隨著研究的深入和技術的不斷成熟，這種新型催化劑有望在能源存儲和轉換領域發揮更大的作用。
相關研究成果Trimetallic Atom-Doped Functional Carbon Catalyst Enables Fast Redox Kinetics and Durable Cyclic Stability of Zinc-Iodine Batteries于近日發表在《先進功能材料》(ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS)上。
參考來源：中國科學報
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