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華北電力/中科院Nano Micro-Letters：生物質(zhì)碳集成策略開發(fā)生物兼容性水系Zn-MnO2電池正極

水系鋅離子電池在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域具有巨大發(fā)展?jié)摿?，利用生物質(zhì)開發(fā)高安全、安全性高的水系鋅離子電池(AZIBs)具有重要意義。碳材料與MnO₂的復(fù)合也是提升(AZIBs)的重要途徑之一。

成果簡(jiǎn)介

近日，華北電力大學(xué)呂瑋&徐超/中國(guó)科學(xué)院丁芳等研究人員成功制備了以葡萄柚果皮為碳源的N摻雜生物質(zhì)碳負(fù)載γ-MnO₂復(fù)合正極，實(shí)現(xiàn)391.2 mAh g^?1的高比容量（0.1 A g^?1），結(jié)合理論分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從Jahn-Teller效應(yīng)和Mn疇分布等方面探討了正極鋅離子儲(chǔ)能機(jī)理。所制備的復(fù)合正極材料具有生物安全性，并通過細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其在臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的巨大潛力。

圖文導(dǎo)讀

圖1. 微觀表征。（a）CP制備示意圖；（b）CP-0、CP-10、CP-20、CP-30、CP-40的XRD譜圖；（c）CP-0和CP-20的FTIR光譜；CP-20的（d）SAED、（e）和（f）HRTEM、（g）SEM、（h-k）EDS; CP-20的（l）Mn 2p、（m）O 1s、（n）C 1s、（o）N 1s的高分辨率XPS譜。

以葡萄柚果皮為原料制備N摻雜生物質(zhì)碳材料CP，并通過FTIR、SAED、HRTEM、EDS及XPS測(cè)試，充分證明了γ-MnO₂的成功合成，Mn、O、C、N元素的均勻分布及γ-MnO₂與γ-MnO₂在CP上的成功負(fù)載。

圖2. 理論計(jì)算。Zn²⁺嵌入γ-MnO₂和γ-MnO₂@CP隧道結(jié)構(gòu)模型的（a）MSD、（b）E_ads、（c）Bader電荷的理論計(jì)算結(jié)果。

由理論計(jì)算結(jié)果得，CP復(fù)合策略可改善Zn²⁺動(dòng)力學(xué)，Zn²⁺更容易在γ-MnO₂@CP內(nèi)部平穩(wěn)快速遷移，Zn²⁺和純?chǔ)?MnO₂之間的強(qiáng)相互作用會(huì)阻礙Zn²⁺的擴(kuò)散。

圖3. 電化學(xué)性能。CP-0、CP-10、CP-20、CP-30和CP-40的（a）CV曲線、（b）恒流充放電曲線、（c）高倍率放電能力、（d）200次循環(huán)性能和（e）3000次循環(huán)穩(wěn)定性的電化學(xué)測(cè)試結(jié)果。（f）文獻(xiàn)與CP-20基于正極活性物質(zhì)質(zhì)量計(jì)算的能量密度對(duì)比圖。

電化學(xué)測(cè)試表明CP復(fù)合策略降低了電壓極化，且CP-20的極化最小。電流密度為0.1 A g^-1時(shí)，CP-20樣品的最大放電容量為391.2 mA g^-1，電壓滯后最小。循環(huán)200次后，CP-0的循環(huán)穩(wěn)定性僅為24.54%，而CP-20的循環(huán)性能為89.47%，庫倫效率為~100%，表明CP與γ-MnO₂復(fù)合后倍率性能更好。且CP-20的能量密度相較于其他報(bào)道的相關(guān)文獻(xiàn)處于領(lǐng)先地位。

圖4. 機(jī)理分析。（a）CP-0和CP-20第10次循環(huán)時(shí)F-D/F-C狀態(tài)下的非原位XRD；（b）F-D狀態(tài)示意圖及OH^–到γ-MnO₂表面的E_ads值；CP-0和CP-20的（c）O 1s、（d）Mn 3s和（e）Zn 2p的XPS高分辨率圖譜；（f）純?chǔ)?MnO₂和γ-MnO₂?@CP的MnO₆八面體的Mn-O鍵距計(jì)算值；（g）Mn疇示意圖和（h）實(shí)際觀測(cè)Mn疇圖樣。

機(jī)理分析可知，OH^–到γ-MnO₂表面的E_ads值更低，其更易吸附在純?chǔ)?MnO₂表面，促進(jìn)副產(chǎn)物的形成。XPS圖譜Mn價(jià)態(tài)及Zn 2p峰強(qiáng)度對(duì)比可知CP復(fù)合策略有助于通過調(diào)節(jié)Mn價(jià)態(tài)抑制Jahn-Teller效應(yīng)。CP復(fù)合策略促進(jìn)了各向異性的Jahn-Teller畸變，提高了γ-MnO₂的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖5. 體外細(xì)胞毒性（a）3T3細(xì)胞在處理后不同時(shí)間點(diǎn)的相對(duì)細(xì)胞活性；（b）不同處理下48 h后Calcein AM/PI染色的3T3細(xì)胞熒光顯微圖像；（c）流式細(xì)胞儀檢測(cè)3T3細(xì)胞不同處理48 h后的細(xì)胞凋亡百分比（Ctrl：PBS處理的細(xì)胞）。

細(xì)胞毒性測(cè)試表明，復(fù)合正極γ-MnO₂@CP對(duì)細(xì)胞活性無明顯影響且細(xì)胞凋亡率低。比CP-0具有更好的生物安全性。因此，CP復(fù)合策略不僅在規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域及臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面具有巨大發(fā)展?jié)摿Α?/span>

文獻(xiàn)信息

Wei Lv *, Zilei Shen, Xudong Li, Jingwen Meng, Weijie Yang, Ding Fang *, Xing Ju, Feng Ye, Yiming Li, Xuefeng Lyu, Miaomiao Wang, Yonglan Tian, Chao Xu *，Discovering Cathodic Biocompatibility for?Aqueous Zn-MnO₂ Battery: An?Integrating Biomass Carbon Strategy, Nano-Micro Letters.10.1007/s40820-024-01334-3

原創(chuàng)文章，作者：Gloria，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2024/02/28/7715da2425/

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