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中科院苏州纳米所：瞬态焦耳加热制备PtFe 纳米颗粒空气阴极，助力柔性设备

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2024-09-29 09:08

正文

随着全球对可持续能源需求的不断增长，燃料电池和金属空气电池因其高能量密度、环境友好性和可再生燃料来源而备受关注。然而，开发具有高能量转换效率的空气电极仍然是这些电池技术面临的主要挑战之一。在燃料电池或金属空气电池的放电过程中，氧气还原反应（ORR）在空气阴极上至关重要，它将氧气转化为水，从而实现电化学能量转换。ORR活性位点依赖于空气阴极中的催化剂和支持材料。理想的空气阴极需要具有高催化活性的ORR催化剂、多孔且导电的支持材料以及高效的传质通道。传统的Pt/C催化剂虽然催化活性高，但成本高、稳定性差且易受中毒影响，限制了其在燃料电池和金属空气电池中的应用。因此，开发具有高催化活性、低成本、高稳定性和抗中毒性的新型空气阴极材料对于推动燃料电池和金属空气电池的商业化应用具有重要意义。

文章简介

中国科学院苏州纳米所邸江涛与李清文研究员在 ACS Appl. Nano Mater期刊发表名为“PtFe Alloy Nanoparticles Confined on Carbon Nanotube Networks as Air Cathodes for Flexible and Wearable Energy Devices”的论文，研究提出一种独立的高性能空气电极，该电极源自具有铁杂质的互连且高度导电的碳纳米管（CNT）网络膜。

通过瞬态焦耳加热诱导的铁纳米颗粒与铂的合金化250 ms，实现了将平均粒径约为5 nm的PtFe合金纳米颗粒均匀地限制在CNT上的空气电极膜。得益于良好的合金结构和稳定的锚固位点，低铂含量（1.7 wt％）的杂化膜的ORR质量活性是市售20 wt％Pt / C催化剂的6倍以上。此外，它还具有出色的长期稳定性和对甲醇中毒的高耐受性。这种独立的空气电极膜具有高电导率，机械强度和多孔网络，结合了ORR催化剂，集电器和多孔电极，可保持良好的状态。带有这些自支撑式空气阴极的光纤锌空气电池显示出高放电容量（31.3mAhcm^-3在10mAcm^-3）和优异的稳定性，即使重复应用，呈现概念的证明以及它们用于灵活和可穿戴的能源供应的潜在应用之后。

图文导读

图1展示了空气阴极制备过程。首先，通过浮动化学气相沉积法制备得到互联的碳纳米管网络薄膜，并利用铁纳米颗粒作为催化剂前驱体。随后，将薄膜进行电化学氧化处理，以提高其亲水性并引入缺陷，从而增加催化剂的锚定位点。接着，将薄膜浸入H2PtCl6溶液中，铁纳米颗粒将Pt4+还原成Pt，并附着在铁颗粒上。最后，通过瞬态焦耳加热，将铁和铂合金化，形成PtFe合金纳米颗粒，并均匀地锚定在碳纳米管上，最终得到高性能的空气阴极薄膜。

图2展示了PtFe-DCNT薄膜的形貌和结构特征。HAADF-STEM图像和TEM图像清晰地显示了碳纳米管网络中均匀分布的PtFe合金纳米颗粒。EDS元素图和线扫描结果表明，Pt和Fe元素在纳米颗粒中均匀分布，证实了PtFe合金的形成。HRTEM图像进一步揭示了PtFe合金纳米颗粒的晶体结构和碳层的存在，表明瞬态焦耳加热成功制备了均匀的PtFe合金纳米颗粒。

图3通过XPS和XRD对PtFe-DCNT薄膜的结构进行了表征。Pt 4f XPS光谱表明，Pt主要以零价态存在，并且Pt 4f峰发生了正移，表明Pt与Fe形成了合金。Fe 2p XPS光谱证实了Fe 0的存在。XRD图谱中，除了碳纳米管的衍射峰外，还出现了PtFe合金的衍射峰，进一步证实了合金的形成。

图4展示了PtFe-DCNT薄膜在氧还原反应（ORR）中的电化学催化性能。线性扫描伏安曲线（LSV）表明，PtFe-DCNT薄膜表现出优异的ORR催化活性，其起始电位、半波电位和极限电流密度均与商用Pt/C催化剂相当，但其铂含量仅为1.7 wt.%，远低于商用Pt/C催化剂的20 wt.%。此外，PtFe-DCNT薄膜还表现出优异的长期稳定性和抗甲醇中毒性能。

图5展示了基于PtFe-DCNT薄膜空气阴极的柔性纤维锌空气电池的性能。PtFe-DCNT薄膜具有优异的机械强度和导电性，可直接作为电池的空气阴极，无需额外的集流体和气体扩散层。组装的纤维锌空气电池表现出优异的放电容量和循环稳定性，证明了PtFe-DCNT薄膜在柔性可穿戴能源设备中的应用潜力。

总结

本研究提出了一种简单高效的空气阴极制备方法，利用瞬态焦耳加热将铁纳米颗粒与铂合金化，形成PtFe合金纳米颗粒，并均匀地锚定在互联的碳纳米管网络中。所得的PtFe-DCNT薄膜具有优异的ORR催化活性、长期稳定性和抗甲醇中毒性能，其性能优于商用Pt/C催化剂。此外，PtFe-DCNT薄膜还具有优异的机械强度和导电性，可直接作为电池的空气阴极，无需额外的集流体和气体扩散层。基于PtFe-DCNT薄膜的柔性纤维锌空气电池表现出优异的放电容量和循环稳定性，证明了其在柔性可穿戴能源设备中的应用潜力。

文献信息

PtFe Alloy Nanoparticles Confined on Carbon Nanotube Networks as Air Cathodes for Flexible and Wearable Energy Devices

https://doi.org/10.1021/acsanm.9b01865

焦耳加热设备

焦耳热高温超快材料制备装置可实现毫秒级别升温和降温，能达到1秒内升温至3000K的效果，试验样品可以是薄膜、块体、粉末等。对比现在常用的马弗炉、管式炉升温慢、加热时间长等缺点，极大地节约了科研人员宝贵的科研时间，并且会有与马弗炉和管式炉不同的冲击效果。该装置可抽真空或者是通氛围气体使用，还可以根据要求进行定制。公司致力于实验室（超）高温、解决方案。目前我公司设备已广泛应用于能源催化材料、石墨烯等二维材料、高熵化合物、陶瓷材料等材料的超快速高质量制备。详情请咨询15201629101。