温州大学陈亦皇Carbon Energy ：基于光热增强的Ni掺杂Mn3O4实现优异低温耐受性的柔性锌空气电池

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论文简介

论文标题：Photothermal‐boosted flexible rechargeable zinc‐air battery based on Ni‐doped Mn3O4 with excellent low‐temperature adaptability

文章研究方向：电催化— —锌空电池

论文网址：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.567

DOI: 10.1002/cey2.567

研究背景

锌空气电池（ZABs）凭借其低成本、丰富的锌储量、高理论能量密度、高性能、高可靠性等优点，在过去的十年中得到了蓬勃发展。柔性固态ZAB不仅继承了液态ZAB的优点，还具有高安全性和易于制备的优点，被认为是可穿戴设备的下一代电源。然而，目前的ZAB由于其性能不足而远不能令人满意，例如低功率密度和较差的温度适应性。此外，ZAB的电化学性能基本上受到氧还原反应（ORR）/氧析出反应（OER）的固有缓慢动力学的限制，导致高的过电位和低的总能量效率。电催化反应的动力学在低温下将进一步减慢，极大地限制了它们的大规模商业化。虽然贵金属材料（例如，Pt/C和RuO2）由于其高的电催化活性而被广泛探索，目前的研究往往受到贵金属稀缺性、不稳定性和单官能性的严重阻碍。因此，构建具有优异温度适应性的高效低成本ORR/OER双功能催化剂对于实际应用至关重要。

成果介绍

针对上述问题，温州大学陈亦皇教授团队采用水热法合成了Ni掺杂的Mn₃O₄/N-rGO 纳米杂化物作为双功能电催化剂，利用光热效应促进液相和柔性固态ZABs，使其在25°C至零下温度范围内具有出色的循环稳定性，为全天候柔性电子设备的开发开辟了新的可能性。该成果以“Photothermal‐boosted flexible rechargeable zinc‐air battery based on Ni‐doped Mn₃O₄ with excellent low‐temperature adaptability”为题发表在Carbon Energy上。

研究亮点

1. 通过掺杂 Ni 产生的协同效应进一步提高了 Mn3O4 的电催化性能。Ni-Mn₃O₄/N-rGO作为双功能光热电催化剂，具有极高的光热转换效率，从而增强了 OER/ORR 的整体性能。

2. 与传统的加热方法相比，本文通过光热转换实现了远程原位加热，从而避免了使用额外的笨重设备。此外，这种即时有效的光热效应可在光照射下对工作电极进行局部精确的选择性热控制，避免电解液泄漏的副作用和不必要的能源浪费。

3. Ni-Mn₃O₄/N-rGO 纳米杂化物作为ZABs的空气阴极，具有出色的低温适应性，低温时展现了优异的功率密度和耐用性。

图文解析

研究小结

我们报道了在N-rGO上生长的Ni掺杂的Mn3O4纳米颗粒（即，Ni_3%-Mn₃O₄/N-rGO），作为双功能光热催化剂材料用于高性能液相和柔性固态ZABs，具有优异的低温适应性。在NIR光照射下，研究了Ni_3%-Mn₃O₄/N-rGO氧还原反应（ORR）/氧析出反应（OER）的活性和器件低温循环稳定性。具体而言，双功能催化剂的指数ΔE仅为0.685 V，超过了大多数先前报道的非贵金属基催化剂（通常ΔE > 0.7 V）。并通过operando拉曼研究和理论计算揭示了，光热效应通过增强其导电性，提高反应动力学，增加活性位点，加速表面重构，来改善双功能活性。因此，我们的研究为进一步利用ZAB的光热特性提高其性能和灵活性提供了一个强有力的平台，为今后开发先进的催化工艺和装置奠定了基础。

期刊简介

Carbon Energy（《碳能源（英文）》）由温州大学和Wiley携手创办，聚焦清洁能源、光电催化、新型碳制造、碳减排等领域，旨在成为国内外优秀科研成果展示的高端平台、国家重大科研战略的助推器和广大科研工作者喜爱阅读的科研工具，立志成为未来“碳时代”高影响力的学术旗舰期刊。

Carbon Energy 2019年创刊，同年入选中国科技期刊卓越行动计划“高起点新刊”，连续两年获“中国最具国际影响力学术期刊”称号，连续三年入选科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告，2022和2023年入选中科院材料科学一区TOP 期刊，相继被DOAJ、CAS、ESCI、Scopus、SCIE、INSPEC、CSCD等收录，2023年获得第二个影响因子20.5。

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