《美国化学会志》刊发化学学院郭林教授及物理学院刘利民教授合作研究成果

点击数:    |    加入时间:2022-05-05

北航新闻网5月5日电(通讯员 陈静)在国家自然科学基金重点项目(批准号:51532001,U1910208)等资助下,北京航空航天大学郭林教授和刘利民教授研究团队在单层非晶氢氧化镍储能方面取得新进展。相关工作以“氢氧化镍纳米片中实现双电子转移储能(Realizing Two-Electron Transfer in Ni(OH)2Nanosheets for Energy Storage)”为题,于2022年5月2日在《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society)杂志在线发表。化学学院博士后康建新为文章的第一作者,物理学院2021级博士生薛宇峰和博士后杨杰为共同第一作者。

在储能过程中,电极材料的理论容量由每个氧化还原中心的平均转移电子数决定。由于多电子转移过程的热力学和动力学更为复杂,在常规结构中难以实现。如何通过结构调控,实现特定材料在储能过程中的多电子转移,使其总容量倍增是一个挑战。

过渡金属氧化物和氢氧化物由于具有高理论容量、宽电压范围和良好的电化学稳定性,是典型的重要储能材料之一。以氢氧化镍为例,其储能依赖于氢原子吸脱附过程中的电子转移。虽然氢氧化镍材料在电催化过程中的原子结构演化和电子转移已经在理论和实验上得到了广泛的探索,然而其在能量存储方面的性能还未达到双电子转移的理论极限。相比于传统的多层氢氧化镍材料在储能过程中的单电子转移,团队报道了在单层氢氧化镍纳米片储能过程中发现的双电子转移。第一性原理计算表明,在多层氢氧化物材料中容易发生Ni2+转变为Ni3+的第一步脱氢过程,但随后到Ni4+的第二步脱氢却受到层间氢键和由Ni3+离子中心八面体姜泰勒效应(Jahn-Teller)畸变引起的域结构的强烈阻碍。在单分子层中由于所有的氢原子都暴露在表面,它容易脱附所有的氢原子而实现双电子转移。储能实验结果表明,制备的单层氢氧化镍可以实现两个电子转移,使大部分的Ni离子在充电过程中转化为Ni4+,展示出576mAh/g的氧化还原容量,近乎单电子过程理论容量的两倍。

该项研究工作揭示了单层氢氧化物材料一种新的氧化还原反应机制,并为调控相关储能材料的电子转移数以成倍增加容量提供了新的策略和借鉴。

图1.单层氢氧化镍材料的脱氢优势及储能性能

论文链接为:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c13523。

(审核:李红捷)

编辑:贾爱平


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