深圳理工大学韩翠平JMCA:氨基功能化MOFs实现CO2的高效捕获-扩散-转化,用于超快Li-CO2电池

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1. 研究背景

深圳理工大学韩翠平JMCA:氨基功能化MOFs实现CO2的高效捕获-扩散-转化,用于超快Li-CO2电池

将二氧化碳转化为燃料和化学品是缓解二氧化碳相关问题的有效且可持续的战略。金属-CO2电池为解决CO2问题提供了一种有吸引力的策略,因为它们不仅可以完成CO2的捕获和固定,还可以实现高能量密度的能量存储。在不同的金属-CO2电池中,Li-CO2电池具有高放电电位(~2.8 V)和高理论比能量密度(~1876 Wh kg-1,基于方程:4Li + 3CO2 Li2CO3+ C)因而是一种非常有潜力的储能器件。具体而言,CO2在正极催化还原,在放电过程中与 Li+反应生成 Li2CO3,而Li2CO3 在充电过程中被氧化分解为 CO2 和 Li+,对应于 CO2 还原反应(CRR)和 CO2 析出反应 (CER)。目前的可充电Li-CO2电池通常存在碳酸盐产物(Li2CO3)氧化动力学缓慢和CRR/CER能量转换效率低的问题,这源于CO2分子的非反应性和传质限制。此外,不溶性Li2CO3的储存和CO2分子的快速扩散需要足够的空间,否则会逐渐堵塞道,从而阻碍CO2与电解质的相互作用。

金属有机框架(MOFs)由于其高度有序的孔结构、高表面积、可控的金属节点和易修饰的有机配体而广受关注。在MOFs生长过程中,多种纳米材料可以很容易地包埋在MOFs晶体内部,而不影响金属离子与配体之间的配位反应,从而仍然可以保持有序的孔结构。并且,构成MOFs的各种金属节点都显示出优异的催化剂效果。这是因为这些金属离子通常以单个原子或簇的形式存在,这使得它们具有较高的表面自由能,从而呈现出较高的反应性。现有报告主要关注MOFs直接用作催化剂但是它们没有表现出足够的催化性能,远不如传统的金属氧化物。因此,将两者的优势结合起来构建高效催化剂是一条替代路径

2. 成果简介

深圳理工大学韩翠平JMCA:氨基功能化MOFs实现CO2的高效捕获-扩散-转化,用于超快Li-CO2电池

深圳理工大学(筹)韩翠平副研究员与南方科技大学李洪飞助理教授合作在Journal of Materials Chemistry A上发表了题为Amino-Functionalized Metal-Organic Framework Achieving Efficient Capture-Diffusion-Conversion of COtowards Ultrafast Li-COBatteries的研究工作。该工作设计一种氨基官能化MOFs包覆有RuO2纳米颗粒复合材料(NH2-Cu-MOFs@RuO2)实现了Li- CO2电池的快速动力学以及优良的稳定性。该正极材料催化剂可有效实现CO2的捕获-扩散-转化过程,克服CO2电池中放电产物堆积,CRR/CER转换效率低的问题

3. 研究亮点

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1. MOFs的氨基官能团有助于实现CO2的高效率捕获

2. MOFs中的有序孔为CO2/Li+扩散提供了有效的传输通道

3. Cu节点和RuO2的协同催化作用使CO2分子快速转

4. 图文导读

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图1 设计原理示意图。(a) Li-CO2电池的结构示意图。(b) 常规金属氧化物/盐的充电/放电过程。(c) MOFs基材料的充放电过程。

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2 (a) NH2-Cu-MOFs@RuO2 的结构示意图。(b) NH2-Cu-MOFs@RuO2、Cu-MOFs 和 RuO2 的 XRD 图谱。(c) NH2-Cu-MOFs@RuO2、Cu-MOFs 和 RuO2 的 XPS 高分辨率 Cu 2p 光谱。(d) NH2-Cu-MOFs@RuO2、Cu-MOFs 和 RuO2 的 XPS 高分辨率 Ru 3p 光谱。(e) NH2-Cu-MOFs@RuO2 的 FESEM 图像。(f) NH2-Cu-MOFs@RuO2 的 TEM 图像。(g) NH2-Cu-MOFs@RuO2 的 HRTEM 图像。(i) Ru、C、Cu、O 和 N 的 EDX 元素映射。

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图3 (a-d) NH2-Cu-MOFs@RuO2和 Cu-MOFs不同位置上CO2位置的模拟快照。Cu,青色;C,灰色;O,红色;N,蓝色;H,白色。(e) NH2-Cu-MOFs@RuO2和Cu-MOFs不同位点的吸附能比较。(f) NH2-Cu-MOFs@RuO2和 Cu-MOFs的等量吸附热曲线

深圳理工大学韩翠平JMCA:氨基功能化MOFs实现CO2的高效捕获-扩散-转化,用于超快Li-CO2电池NH2-Cu-MOFs@RuO2、Cu-MOFs和RuO2正极的Li-CO2电池的电化学性能。(a) 电流密度为 50 μA cm−2时的完全放电曲线。(b) 在 50 μA cm−2的电流密度下,在 100 μA h cm−2的极限容量下的充/放电曲线。(c) EIS 图。(d) 在不同电流密度下的 100 μA h cm−2极限容量下的倍率性能。(e) 在不同电流密度下与其他样品的过电位比较。(f) NH2-Cu-MOFs@RuO2、Cu-MOFs和RuO2正极在 50 μA cm−2电流密度下的电池寿命周期。(g)与其他报道材料的循环寿命比较。

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图5 NH2-Cu-MOFs@RuO2正极(绿色部分为 Li2CO3)的(a)第一次放电、(b)第一次充电、(c)第十次放电和(d)第十次充电的 SEM 图像。(e) NH2-Cu-MOFs@RuO2正极在不同循环下不同充放电状态的XRD图谱。

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图6 NH2-Cu-MOFs@RuO2正极在(a)第一次放电/充电和(b)第十次放电/充电后电池循环的 XPS 光谱。在(c)第一次放电/充电和(d)第十次放电/充电后,使用 Cu-MOFs 正极的电池循环的 XPS 光谱。在(e)第一次放电/充电和(f)第十次放电/充电后,使用 RuO2阴极进行电池循环的 XPS 光谱。

5. 总结与展望

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文章中设计了一种基于MOFs 的复合材料,该复合材料由 Cu-MOFs 骨架和均匀分散在 MOFs 内的 RuO2 纳米颗粒组成,为 Li-CO2 电池中的正极材料提供了有效的离子/气体扩散通道。同时,孔壁上的氨基进一步提高了捕获CO2气体的能力,实现了CO2分子的平滑捕获-扩散-转化。这些结构优势使 NH2-Cu-MOFs@RuO2 正极在 Li-CO2电池中具有更高的容量、更低的过电位、更好的倍率性能和长期稳定性。这种基于 MOFs 材料的设计策略将为气体扩散受限应用开辟一条新途径。

6. 文献链接

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An amino-functionalized metal–organic framework achieving efficient capture–diffusion–conversion of CO2 towards ultrafast Li–CObatteries, Journal of Materials Chemistry A. 2022. DOI: 10.1039/d2ta05342j

原文链接:

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/ta/d2ta05342j

7. 作者简介

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韩翠平,博士毕业清华大学,并先后在美国佐治亚理工学院、香港中文大学、深圳大学、香港城市大学从事研究工作,20217月加入中国科学院深圳理工大学(筹)任助理教授/副研究员。主要从事高安全电化学储能电池及其关键材料研究,包括新型有机电极材料、高性能电解质、电池结构设计与性能优化等。迄今出版专著1部(清华大学优秀博士学位论文),英文章节3章,发表SCI论文70篇,h-index34,论文总引用5000余次(谷歌学术),其中第一作者/通讯作者论文37篇,包括Nat. Commun.Energy Environ. Sci.Adv. Mater.Adv. Energy MaterAdv. Funct. Mater.ACS NanoEnergy Storage Mater.Nano Energy等;入选2019Journal of Materials Chemistry A新锐科学家专刊,担任《Rare Metals》、《Materials Research Letters》期刊青年编委,并主持国家自然科学基金、广东省自然科学基金、深圳市基础研究项目、中国博士后基金等项目。

团队长期招聘储能电池方向博士后欢迎投递简历到cp.han@siat.ac.cn。

 

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