国科大&新加坡国立联合发表ACSnano: easyXAFS助力电池材料精细结构解析
发布日期：2023-09-08
可充电锌-空气电池被认为是很有潜力的下一代能量储存器件，然而其不尽人意的循环寿命制约着其大规模的发展和应用。提升可充电锌-空气电池循环寿命的关键挑战之一在于提升空气电极的稳定性。由于电池的充电过程（氧析出反应，OER）与放电过程（氧还原反应, ORR）具有不同的微环境需求，导致空气电极的双功能催化剂在充放电循环过程中不稳定，使电池性能逐渐衰减。针对于此，中国科学院大学联合新加坡国立大学等多家单位，设计出一种“自解耦”的空气电极，极大地提升了空气电极的稳定性及锌-空气电池的循环寿命。同时，作者使用美国easyXAFS公司的台式X射线吸收精细结构谱仪-XAFS/XES对电池材料的精细结构进行了分析。该设备无需同步辐射光源，可在常规实验室环境中测量X射线吸收精细结构谱和X射线发射谱，得到可以媲美同步辐射水平的谱图，实现对元素的定性和定量分析、价态分析、配位结构解析等。
台式X射线吸收精细结构谱仪-XAFS/XES
“自解耦”空气电极的设计原理如图1所示。图1a展示了传统空气电极的微观结构，双功能催化剂被直接负载在碳纸电极上，在充电过程的高电压下，OER过程会伴随着催化剂本身的电化学氧化。图1b展示了“自解耦”空气电极的微观结构，其中加入了磺酸掺杂聚苯胺（S-PANI）中间层，其电导率可随充放电电位切换，从而将OER和ORR反应分离开来。具体来说，当电池充电时，OER部分的催化剂助力氧析出反应，而ORR部分催化剂由于S-PANI中间层的绝缘而保持惰性，从而避免被电化学氧化。而在放电过程中，S-PANI中间层变得导电，ORR部分的催化剂可促进氧还原反应。
图1. (a) 传统空气电极结构示意图。（b）自解耦空气电极结构示意图。
图2展示了空气电极的双功能催化剂ZnCoP/NC的合成过程(图2a)及表征结果（图2b-2g）。作者利用台式X射线吸收精细结构谱仪-XAFS/XES，在室温条件下，使用Si (533) 单色器，测试了Co元素K-边的X-射线吸收谱。图2f展示了X-射线吸收近边结构谱（XANES）, ZnCoP/NC与Co箔相似。图2g展示了X-射线吸收扩展边精细结构谱的傅里叶变换图（FT-EXAFS）, 其中1.6 和 2.5 Å 分别指向Co-P键和Co-Co键，证明ZnCo-P/NC的主相是磷化钴。该实验从材料价态与局域配位环境的角度，解析了双功能催化剂ZnCoP/NC的精细结构。
图2 (a) ZnCo-P/NC的合成过程。ZnCo-P/NC的（b）SEM图，（c）TEM图，（d）高分辨TEM图，（e）EDS-mapping图，（f）Co-K边 XANES, (g) FT-EXAFS。
该项成果以“Self-Decoupled Oxygen Electrocatalysis for Ultrastable Rechargeable Zn-Air Batteries with Mild-Acidic Electrolyte“为题目，发表于国际期刊ACS Nano。
原文链接：
https://pubs.acs.org/action/showCitFormats?doi=10.1021/acsnano.3c05845&ref=pdf
台式X射线吸收精细结构谱仪-XAFS/XES测试数据展示：
近期，QD中国北京样机实验室测试了低质量含量的Pt、Cu样品，结果表明，台式X射线吸收精细结构谱仪在测试1 wt%级别的低含量元素时也可获得与同步辐射光源数据高度吻合的优质谱图，可为单原子催化剂等领域的研究提供有力支持。
1 wt% Pt@Al2O3
0.9 wt% Cu@CBN
