基于电纺的高性能碳纳米纤维催化膜电极材料研究取得新进展
发布时间: 2017-06-13

     近期,我校纺织学院覃小红教授、季东晓博士等与新加坡国立大学(National University of SingaporeSeeram Ramakrishna教授合作,在新能源领域催化功能纳米碳纤维膜的制备和表征方面取得重大进展,研究论文“Design of 3-Dimensional Hierarchical Architectures of Carbon and Highly Active Transition Metals (Fe, Co, Ni) as Bifunctional Oxygen Catalysts for Hybrid LithiumAir Batteries”被美国化学会材料化学的权威杂志《Chemistry of Materials》发表(Chem. Mater., 2017, 29, 1665–1675.),我校纺织学院为第一贡献单位。同时,该论文刚一发表其下载便量位于当月Chemistry of Materials文章下载量的 top 20.

活性CNT碳纳米纤维电极和锂空气电池的制备

  具有高能量密度的柔性储能材料和高效储能器件的研制对于人类社会的可持续发展至关重要,是解决目前能源危机和环境问题的重要手段。可充电的金属空气电池和燃料电池,由于其超高的能量密度,清洁的反应产物,成为了新一代能源储存器件的最佳候选者。氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)是金属空气电池和燃料电池中的重要反应,由于其本身迟缓的反应动力学,若要实现金属空气电池和燃料电池良好的性能,必须使用相应的ORROER催化剂,促进反应的进行。目前,性能最佳的ORR(纳米铂)和OER(纳米钌/铱)催化剂均属于贵金属材料。这些材料不仅价格昂贵,稳定性较差,同时在制成相应的催化电极后(由于不导电的高分子粘合剂的使用等),催化剂的性能得不到完全的发挥。因此,制备与贵金属材料性能相媲美的非贵金属电化学催化剂对于新一代能源器件的发展至关重要,直接制作具有催化功能的可自支撑催化电极具有更加广阔的应用前景,同时也是一个巨大的挑战。

活性CNT碳纳米纤维电极的纳米结构和成分分布

    本研究利用课题组自主研发的自由液面静电纺技术,规模化制备了含有铁基过渡金属元素(FeCoNi)和功能高分子材料(PANCA)的纳米纤维膜。该成果灵巧地利用了电纺纳米纤维可负载金属纳米颗粒的优势,并进一步通过金属纳米颗粒催化外加碳源形成碳纳米管的特性,制备出具有三维多级网络结构和特殊纳米形貌的碳纳米纤维催化电极,该电极具有极佳的氧还原/氧析出催化性能和稳定性,可将新型锂空气电池的过电位降低至0.15V(对比贵金属铂/铱电极的过电位降低了3倍),充分展现了所制得的活性CNT碳纳米纤维电极的优越性。本研究不仅提出了新颖的碳纳米管合成方法,同时对自支撑催化电极的制备也提供了一定的思路。所制备的碳纳米纤维电极有望应用在新一代柔性储能器件和智能纺织品中。

    该项研究工作得到了青年长江学者奖励计划、中央高校基础研究基金,东华大学杰出青年教授计划等的大力资助。