西北工业大学黄维院士团队制备水系Zn||NO2电池

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文章摘要
来自废气的氮氧化物(NO2)污染空气是一个深层次的问题，因此迫切需要新的捕获和减排技术。同时，将二氧化氮电催化转化为具有附加值的化学物质是缓解全球氮循环失衡的一种很有前景的策略。在此，西北工业大学黄维院士&香港城市大学支春义教授、Derek Ho教授团队提出了一种以纳米NiO催化剂为阴极，金属锌箔为阳极，ZnCl2水溶液为电解质的基于Zn||NO2水溶液体系的电化学电池。
重要的是，电解质可以有效地捕获NO2，然后将其转化为NO2-，最终转化为增值的NH3，同时产生电力。作为概念证明，已经制作了一种电池，它对可逆的NO2还原和进化反应表现出双功能活性和稳定性(＞100 h)。从2.4 Ah的软包电池获得了553.2 Wh·kg-1cell/1589.6 Wh·L-1cell的高电池水平能量密度。作为一个额外的绿色特征，Zn||NO2电池产生的NO2-随后通过自供电机制转化为NH3，从而在单个设备中服务氮循环中的多个关键转化步骤，为可扩展的高度集成解决方案铺平了道路。
该课题以“A High-Energy Aqueous Zn||NO2 Electrochemical Cell: A New Strategy for NO2 Fixation and Electric Power Generation”为标题发表在国际期刊《Energy & Environmental Science》上，通讯作者为西北工业大学黄维院士&香港城市大学支春义教授、Derek Ho教授。链接：https://doi.org/10.1039/D2EE03749A
图文速递
图1：Zn||NO2电化学技术作为捕获系统的结构

(a)二级Zn||NO2电化学电池，其中(a-i)NO2被还原以产生电能，(a-ii)NO2通过充电而集中。(b)一级Zn||NO2，其中捕获的NO2转化为NH3×H2O有价值的产物。
图2

(a)吸附*NO2在NiO、CoO、FeO和CuO上电荷密度差分布(CDDD)的二维等高线图(0.005 e Bohr-1)，等表面值为0.005 e Bohr-3。(b)NiO、CoO、FeO和CuO表面上NO2-与*NO2转换的吉布斯自由能图。(c)商业Pt/C、CuO、FeO、CoO、NiO和纳米NiO电催化剂在电流密度为2 mA×cm-2条件下Zn/NO2电化学电池的恒流充放电曲线。(d)纳米NiO的XRD图谱及Rietveld细化结果。(e)纳米NiO的TEM图像。插图是相应的SEAD模式。
图3

含NiO和纳米NiO催化剂的Zn||NO2电化学电池：(a)50 h以上开路电压。(b)不同密度下放电极化曲线及相应的功率密度曲线。(c)不同电流密度下的充放电极化曲线。(d)在0.2、1、5、10 mA×cm-2不同电流密度下记录的全放电剖面。(e)使用纳米NiO催化剂在2 mA×cm-2条件下进行循环性能测试。
图4

(a-i)具有阴极-阳极-阴极堆叠结构的可充电水系Zn||NO2软包电池示意图。(a-ii)可充电水系Zn||NO2软包电池的光学照片。(b)在0.2 mA和5 mA×cm-2不同速率下，NO2||Zn||NO2电池的输送容量。(c)具有代表性的商业和报道的电池的预测电池水平比能量密度(Wh×kg-1(cell))和体积能量密度(Wh×L-1)的Ragone图。(d)电流密度为5 mA×cm-2时NO2||Zn||NO2电池的恒流循环充放电性能。
图5

(a)Zn||NO2电化学电池在0.2、0.5、1、2、5、10 mA·cm-2电流密度下的恒流放电分布。黑色箭头长度代表2 V。(b)对应的NO2-种产率和法拉第效率(FE)。(c)Zn||NO2电化学电池在2 mA×cm-2不同放电时间(1、2、4、6 h)下的恒流放电剖面，以及相应的NO2-种产率和FE。(d)在2 mA×cm-2下记录的第一、第二和第三周期放电-电荷曲线，持续2小时。(e)循环过程中NO2-、NO3-、NO2、NO、O2产率与放电/充电次数的关系。
图6

(a)Zn||NO2电化学电池的充放电曲线和(b)NiO沉积气体阴极对应的异位XRD图谱。(c)Ni K边XANES光谱和(d)不同放电状态下在Ni K边获得的傅里叶变换EXAFS光谱。(e)不同荷电态下在Ni-Ni0纳米复合材料Ni K边采集的XANES光谱和(f)傅里叶变换EXAFS光谱。
图7

(a)两个Zn||NO2电化学电池供电的电化学Haber-Bosch反应器耦合到水分解反应器的示意图。(b)模型的照片。(c)电化学Haber-Bosch电抗器的电压和电流。(d)NH3×H2O产率和FE。
研究结论
这项工作提出了一种高性能可充电水系Zn||NO2电化学电池，它展示了一种将NO2从废气流转化为增值产品的新方法，同时产生大量电能。可充电水系Zn||NO2系统的放电电压为1.8 V，基于可逆的NO2与NO2-转换，在10 mA·cm-2扩散3 vol.% NO2/空气时，能源效率可达81.3%。该组合软包2.4 Ah级电池可提供553.2 Wh·kg-1的高能量密度和1589.6 Wh·L-1的高容量密度。该系统能够利用NO2废气合成氨，节能环保。NO2-离子的产率达到3.42 mM·cm-2·h-1，法拉第效率约为96.4%。由串联的两个Zn||NO2电池和电化学Haber-Bosch反应器组成的自供电转化系统可进一步将产生的NO2-转化为NH3。这项工作为通过可逆水系金属||NO2系统和环保转换/存储设备捕获/转换NO2开辟了新的途径。

来源：http://www.yidianzixun.com/article/0lqo4adj
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