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由于鋅負(fù)極、碘正極和水系電解質(zhì)的低成本和本征安全性，可充水系鋅-碘電池（Zn?I₂）一直是有希望的儲能技術(shù)。然而，一方面，電化學(xué)惰性宿主的低比例利用會導(dǎo)致可溶性多碘化物的嚴(yán)重穿梭、碘的利用不足和反應(yīng)動力學(xué)遲緩。另一方面，使用高質(zhì)量的極性電催化劑會犧牲電極材料的質(zhì)量和體積，并犧牲設(shè)備的能量密度。

圖1. 基于鐵單原子催化劑的宿主構(gòu)建及表征

西北工業(yè)大學(xué)樊慧慶、馬龍濤等提出了一種”封閉-催化”策略，通過將鐵單原子催化劑（SACs）嵌入到有序的介孔導(dǎo)電框架中作為催化碘的宿主，從而使高碘負(fù)載的Zn?I₂電池具有快速反應(yīng)動力學(xué)和超長的循環(huán)穩(wěn)定性。

通過這種設(shè)計，多孔結(jié)構(gòu)和相互連接的導(dǎo)電通道可以容納大量的碘，封裝多碘化物并保證其有效利用，而Fe SACs進(jìn)一步有效地催化碘/多碘化物的轉(zhuǎn)化。

圖2. 動力學(xué)研究

因此，基于到宿主框架的高催化和碘/多碘化物吸附能力的協(xié)同貢獻(xiàn)，Zn?I₂電池實現(xiàn)了15A g^-1的超高倍率能力，比容量達(dá)139.6 mAh g^-1，并且在76.72 wt%的碘負(fù)載條件下具有超長的循環(huán)穩(wěn)定性，經(jīng)過5萬次循環(huán)后保留了80.5%的初始容量。

大幅提高的電化學(xué)性能源于物理化學(xué)約束的調(diào)節(jié)和可逆的I^–/I₂和I₂/I⁺對的能量屏障的降低，以及多碘化物中間物的轉(zhuǎn)化。總之，這項工作為縮短Zn?I₂電池的研究和應(yīng)用之間的差距開辟了一條道路。

圖3 Zn?I₂電池性能

Aqueous Zinc Batteries with Ultra-Fast Redox Kinetics and High Iodine Utilization Enabled by Iron Single Atom Catalysts. Nano-Micro Letters 2023. DOI: 10.1007/s40820-023-01093-7

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樊慧慶/馬龍濤NML：鐵單原子催化劑助力水系鋅電池5萬次循環(huán)!

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