中国矿业大学（北京）《ACS SCE》：废烟头为原料制备多孔氮掺杂碳材料，可作为锂氧电池高效正极催化剂
1成果简介
阴极催化剂的低催化活性和高成本阻碍了锂氧（Li-O2）电池的大规模商业应用。本文，中国矿业大学（北京）孙春文-教授团队在《ACS Sustainable Chem. Eng》期刊发表名为“Waste Cigarette Butts-Derived Nitrogen-Doped Carbon Fibers Loaded with Ru Nanoparticles as an Efficient Cathode Catalyst for Lithium-Oxygen Batteries”的论文，废烟头本身具有多孔纤维结构，选为Li-O2电池正极催化剂的碳材料的前体。通过对废烟头的简单热处理制备多孔氮掺杂碳材料。得到的碳纤维材料丰富的多孔结构有效地增强了氧分子的扩散，为放电产物提供了充足的空间。碳纤维中的氮掺杂增强了对氧还原反应（ORR）和氧进化反应（OER）的双功能催化活性，这在密度泛函理论（DFT）计算中得到了证实。
带有C-N纤维负载的Ru纳米颗粒催化剂的组装Li-O2电池的初始放电容量高达12 036.3 mA h g-1，并且可以在200 mA g-1的电流密度和500 mA h g-1的截止容量下稳定地循环800多次（4000小时）。即使在500 mA g-1的高电流密度下，电池仍然显示出2.28 V的高平均放电电压，具有出色的循环稳定性和速率能力。XPS分析证明，该阴极材料可以有效地抑制Li2CO3和Li2O副产品的形成。这项工作为解决Li-O2电池的阴极催化剂问题提供了一个具有成本效益的解决方案，提高了电池的循环稳定性以及环保性。
2图文导读
图1.（a） C-N纤维/Ru纳米粒子正极催化剂制备示意图。（b） 加载 Ru 之前和之后 C–N 纤维样品的 XRD 图谱。（c） 碳酸前 C–N 纤维的 SEM 图像。（d） C-N光纤的XPS测量光谱。（e） C-N纤维/Ru的TEM图像和元素映射。
图2. (a) 不同氧阴极的固态Li-O2电池在200 mA g-1和固定比容量500 mAh g-1下的循环性能。(b, c) 不同氧阴极的固态Li-O2电池的电位差演变：(b) 电池在不同循环后的充/放电曲线和(c) 电池在不同电流密度下测试的充/放电曲线。(d) 采用C-N纤维/Ru氧气阴极的固态Li-O2电池的速率性能。
图3。（a–c）循环后具有c–N纤维/Ru氧阴极的固态Li-O2电池各部分的SEM图像：（a）锂金属表面，（b）CSE表面，和（c）氧阴极表面。（d–f）循环后具有CNTs/Ru氧阴极的固态Li-O2电池各部分的SEM图像：（d）锂金属表面，（e）CSE表面，和（f）氧阴极表面。
图4。在具有（顶部）C–N纤维/Ru氧阴极和具有（底部）CNTs/Ru氧阴极的固态Li-O2电池中，Li金属表面的（a）C1s和（b）O1s的XPS光谱。
图5：（a，b）（a）C-Ru和（b）C-N-Ru的结构模型。(c, d) (c) C-Ru和(d) C-N-Ru的平面电荷分布。(e, f) (e) C-Ru和(f) C-N-Ru的部分电荷状态密度(P-DOS)d带
图6。（a，b）在（a）C–Ru和（b）C–N–Ru结构的表面上形成Li4O4的路径图。（c，d）（c）c–Ru和（d）c–N–Ru表面的自由能图。
3小结
我们已经制备了一种阴极材料，该材料可以有效地解决Li-O2电池的界面问题，从而通过使用C–N纤维/Ru催化剂来提高电池性能。这项工作为解决锂-O2电池的阴极催化剂问题提供了一个经济有效的解决方案，实现了废物利用和可持续发展。
文献：
https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.3c02050
昆明理工大学《Rare Met》：多功能硫固定化石墨烯/MXene气凝胶，用于高稳定性和长循环寿命锂硫电池
北航《ACS AMI》：高灵敏度石墨烯MOEMS谐振压力传感器
来源：文章来自ACS SCE网站，由材料分析与应用整理编辑。
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