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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揮著關鍵催化劑作用。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定性至關重要。本文，紹興文理學院何冰副教授團隊在《Energy Fuels》期刊發表名為“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碳化策略，用于設計含氮三維分級結構納米碳材料（N-HNCs），該材料通過初級二維納米碳構建單元自下而上的堆疊構建而成。合成過程包括：以無水FeCl3為引發劑進行苯胺（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、可調結構的高氮含量、豐富的質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（ORR）和氧析出反應（OER）中高效且持久的電催化劑。例如，在ORR中，N-HNCs呈現出類似Pt/C的半波電位（0.846 V），在無金屬電催化劑中表現突出。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穩定性（>400小時），并在5 mA·cm?²電流密度下實現60.8%的往返能量轉換效率。

3小結

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

文獻：

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

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