华北电力/中科院Nano Micro-Letters:生物质碳集成策略开发生物兼容性水系Zn-MnO2电池正极 2024年2月28日 上午11:59 • T, 顶刊 • 阅读 22 水系锌离子电池在大规模储能领域具有巨大发展潜力,利用生物质开发高安全、安全性高的水系锌离子电池(AZIBs)具有重要意义。碳材料与MnO2的复合也是提升(AZIBs)的重要途径之一。 成果简介 近日,华北电力大学吕玮&徐超/中国科学院丁芳等研究人员成功制备了以葡萄柚果皮为碳源的N掺杂生物质碳负载γ-MnO2复合正极,实现391.2 mAh g−1的高比容量(0.1 A g−1),结合理论分析和实验数据,从Jahn-Teller效应和Mn畴分布等方面探讨了正极锌离子储能机理。所制备的复合正极材料具有生物安全性,并通过细胞毒性实验验证了其在临床医学应用中的巨大潜力。 图文导读 图1. 微观表征。(a)CP制备示意图;(b)CP-0、CP-10、CP-20、CP-30、CP-40的XRD谱图;(c)CP-0和CP-20的FTIR光谱;CP-20的(d)SAED、(e)和(f)HRTEM、(g)SEM、(h-k)EDS; CP-20的(l)Mn 2p、(m)O 1s、(n)C 1s、(o)N 1s的高分辨率XPS谱。 以葡萄柚果皮为原料制备N掺杂生物质碳材料CP,并通过FTIR、SAED、HRTEM、EDS及XPS测试,充分证明了γ-MnO2的成功合成,Mn、O、C、N元素的均匀分布及γ-MnO2与γ-MnO2在CP上的成功负载。 图2. 理论计算。Zn2+嵌入γ-MnO2和γ-MnO2@CP隧道结构模型的(a)MSD、(b)Eads、(c)Bader电荷的理论计算结果。 由理论计算结果得,CP复合策略可改善Zn2+动力学,Zn2+更容易在γ-MnO2@CP内部平稳快速迁移,Zn2+和纯γ-MnO2之间的强相互作用会阻碍Zn2+的扩散。 图3. 电化学性能。CP-0、CP-10、CP-20、CP-30和CP-40的(a)CV曲线、(b)恒流充放电曲线、(c)高倍率放电能力、(d)200次循环性能和(e)3000次循环稳定性的电化学测试结果。(f)文献与CP-20基于正极活性物质质量计算的能量密度对比图。 电化学测试表明CP复合策略降低了电压极化,且CP-20的极化最小。电流密度为0.1 A g-1时,CP-20样品的最大放电容量为391.2 mA g-1,电压滞后最小。循环200次后,CP-0的循环稳定性仅为24.54%,而CP-20的循环性能为89.47%,库伦效率为~100%,表明CP与γ-MnO2复合后倍率性能更好。且CP-20的能量密度相较于其他报道的相关文献处于领先地位。 图4. 机理分析。(a)CP-0和CP-20第10次循环时F-D/F-C状态下的非原位XRD;(b)F-D状态示意图及OH–到γ-MnO2表面的Eads值;CP-0和CP-20的(c)O 1s、(d)Mn 3s和(e)Zn 2p的XPS高分辨率图谱;(f)纯γ-MnO2和γ-MnO2 @CP的MnO6八面体的Mn-O键距计算值;(g)Mn畴示意图和(h)实际观测Mn畴图样。 机理分析可知,OH–到γ-MnO2表面的Eads值更低,其更易吸附在纯γ-MnO2表面,促进副产物的形成。XPS图谱Mn价态及Zn 2p峰强度对比可知CP复合策略有助于通过调节Mn价态抑制Jahn-Teller效应。CP复合策略促进了各向异性的Jahn-Teller畸变,提高了γ-MnO2的结构稳定性。 图5. 体外细胞毒性(a)3T3细胞在处理后不同时间点的相对细胞活性;(b)不同处理下48 h后Calcein AM/PI染色的3T3细胞荧光显微图像;(c)流式细胞仪检测3T3细胞不同处理48 h后的细胞凋亡百分比(Ctrl:PBS处理的细胞)。 细胞毒性测试表明,复合正极γ-MnO2@CP对细胞活性无明显影响且细胞凋亡率低。比CP-0具有更好的生物安全性。因此,CP复合策略不仅在规模储能领域及临床医学应用方面具有巨大发展潜力。 文献信息 Wei Lv *, Zilei Shen, Xudong Li, Jingwen Meng, Weijie Yang, Ding Fang *, Xing Ju, Feng Ye, Yiming Li, Xuefeng Lyu, Miaomiao Wang, Yonglan Tian, Chao Xu *,Discovering Cathodic Biocompatibility for Aqueous Zn-MnO2 Battery: An Integrating Biomass Carbon Strategy, Nano-Micro Letters.10.1007/s40820-024-01334-3 原创文章,作者:Gloria,如若转载,请注明来源华算科技,注明出处:https://www.v-suan.com/index.php/2024/02/28/7715da2425/ 催化 赞 (1) 0 生成海报 相关推荐 伍志鲲/廖玲文/杨军最新Angew:原子级精确的纳米Pt₂₃催化剂-兼具光热转换功能! 2024年4月12日 Adv. Mater.:Fe-N配位结构助力锂硫电池快速氧化还原转化 2023年11月4日 北化工向中华Angew.:通过dz2轨道驱动电荷调控研究FeN4位点的电催化活性 2023年10月12日 张强教授最新Joule综述:时间尺度下解耦锂电中动力学过程 2023年10月10日 精彩绝伦!Advanced系列能源转换与存储类封面大赏(8月第2期) 2023年10月26日 卢思宇&段镶锋,最新Nature Synthesis! 2024年7月16日