Ein erfolgreiches Katalysatordesign für fortschrittliche Zink-Jod-Batterien
Wässrige Zink-Jod-Batterien (ZIBs) haben aufgrund ihrer hohen Sicherheit, ihrer reichlichen Reserven und ihrer Umweltfreundlichkeit große Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Das im Meerwasser reichlich vorhandene Jod (55 μg L-1) ist aufgrund seiner hohen theoretischen Kapazität (211 mAh g-1) und seines angemessenen Redoxpotenzials (0,54 V) sehr vielversprechend für die Herstellung von Zink-Jod-Batterien. Allerdings behindert die geringe elektrische Leitfähigkeit von Jod die Redoxumwandlung für einen effizienten Energiespeicherprozess mit Zink. Darüber hinaus neigen die gebildeten löslichen Polyiodide dazu, zur Zinkanode zu migrieren, was zu Kapazitätsverlusten und Zinkkorrosion führt.
Molybdänkarbid (MoC)-Nanocluster, die in poröse, stickstoffdotierte Kohlenstofffasern mit atomaren Zn-N4-Stellen eingebettet sind, zeigen einen physikalisch-chemischen Begrenzungseffekt auf Iodspezies und verbessern die Effizienz des Elektronen-/Ionentransfers, wodurch die reversible Redoxumwandlung ohne Polyiodid-Shuttle-Effekte erleichtert wird.
©Science China Press
Um die bestehenden Probleme in Zn-I2-Batterien zu lösen, stellt das Forschungsteam eine Kopräzipitationsmethode vor, bei der Molybdationen in ein zeolithisches Imidazolatgerüst-8 (ZIF-8) eingekapselt werden, gefolgt von Elektrospinning und Kalzinierung, um freistehende poröse Kohlenstofffasern mit Zn-Einzelatomplätzen und Molybdänkarbidclustern (Zn-SA-MoC/NCFs) zu erzeugen. Mit dem hierarchischen porösen Kohlenstoffgerüst für einen günstigen Stofftransport wird erwartet, dass die Integration von Molybdänkarbiden mit einatomigen Katalysatoren die Adsorptionsfähigkeit für Iodspezies verstärkt und die katalytische Aktivität durch eine optimale Ladungsumverteilung moduliert. Die zusammengesetzten Zn-I2-Batterien weisen eine hohe spezifische Kapazität von 230,6 mAh g-1 bei einer Stromdichte von 0,5 C (1 C= 0,211 mA cm-2) und eine gute Kapazitätserhaltung von 90% nach 20.000 Zyklen auf. Mit dem grundlegenden Verständnis der verbesserten Elektrokatalyse durch die Einbindung von Zn-SA mit MoC-Clustern demonstriert die Konzeptstudie zur Modulation der elektronischen Struktur zwischen Wirten und Iodspezies die grundlegenden Prinzipien für leistungsstarke Zn-I2-Batterien und darüber hinaus.
Diese Studie ist die erste, die die Manipulation der elektrokatalytischen Aktivität von MoC-Clustern durch den Einbau von Zn-N4-Stellen für die Iod-Redoxreaktion zeigt. Die Strategie zur Regulierung der elektronischen Struktur bietet eine robuste Anleitung für die Konstruktion fortschrittlicher Jodkatalysatoren und die Optimierung ihrer Batterieleistung.
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