郑州大学臧双全教授团队氧氮共掺杂的碳布

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引言

随着电动汽车、电网储能系统和便携式设备的发展，迫切需要开发一种能量密度高、寿命长的环境友好型储能系统。水系锌基储能器件的出现，有望解决锂离子电池成本高、有机电解液易燃和锂资源短缺等问题。然而，锌离子在锌金属负极表面的不均匀沉积会导致枝晶的形成，枝晶的积累会刺穿隔膜导致电池短路，严重影响水系锌离子电池的循环寿命。因此，有效解决锌枝晶问题对下一代锌基储能器件的大规模应用具有重要的意义。碳布具有比表面积高、重量轻、丰富的三维网状结构等固有优势，可以有效调节锌离子的传输和均匀沉积，进而抑制锌枝晶的产生，具有广泛的应用前景。

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成果展示

近日，郑州大学臧双全教授团队采用简单的酸化-水热法处理商业化碳布制备了氧、氮共掺杂的碳布集流体（O,N-CC）。理论分析和实验结果表明含氧官能团与氮杂原子之间的协同作用保证了锌离子在O,N-CC上的均匀传输、成核和沉积，对锌枝晶的形成有明显的抑制作用。

该论文以“UniformzincdepositiononO,N?dualfunctionalizedcarbonclothcurrentcollector”为题发表在期刊JournalofEnergyChemistry上，第一作者为郑州大学化学学院硕士生周梦奇，通讯作者为孙国强博士和臧双全教授。

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图文导读

图1：（a）O,N-CC制备过程示意图。（b）P-CC和（c）O,N-CC的SEM图像。（d）O,N-CC的EDS元素映射图像。（e）P-CC、O-CC和O,N-CC的XPS图谱。

采用简便的酸化-水热法合成O,N-CC，SEM显示O,N-CC表面并未发生明显的形变，其良好的韧性并未遭到破坏。元素分布和XPS结果显示了O、N的成功掺杂。

图2：（a）在电流密度为1mAcm?2时，P-CC和O,N-CC电极成核过程中的电压?面积容量曲线。（b）不同电流密度下，Zn2+在P-CC和O,N-CC电极上沉积/剥离的库伦效率。（c）P-CC和O,N-CC电极上Zn沉积/剥离的电压?容量曲线。（d）与其它锌离子电池集流体的成核过电位的比较。

由于O,N-CC较好的亲锌性和离子传输特性，Zn2+在O,N-CC的成核过电势较低，为16.7mV。同时，Zn2+在O,N-CC表现出更好的沉积/剥离可逆性。对比发现，Zn2+在O,N-CC上的成核过电势优于大多数已报道的锌离子电池集流体。

图3：基于P-CC

电化学测试表明，O,N-CC

图4：（a）Zn//P-CC，Zn//O-CC和Zn//O,N-CC在1,3,5mAcm?2处的成核过电位。（b）Zn//O-CC

为了揭示O,N-CC提升电池性能的机理，作者对中间产物O-CC进行了探究。电化学测试表明O-CC的过电势和对称电池循环稳定性均处于P-CC和O,N-CC之间。同时，XPS结果显示，O-CC的氧含量高于P-CC，而O-CC中的含氧官能团对Zn的吸附能高于原始碳，更有利于与Zn2+的结合。通过对O,N-CC的N1s轨道分峰发现，吡咯氮（Npr）的含量最高，而Npr对Zn的吸附能是最高的，说明了O,N-CC具有最强的捕获Zn2+的能力，从而大大降低了Zn2+的成核势垒。这也证明了O、N共掺杂的碳布集流体能协同提升锌离子电池的性能。

图5：（a）活性炭的氮气吸附等温线。插图:活性炭的孔径分布。（b）O,N-CC

分别利用P-CC

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小结

该工作通过简单的酸化-水热掺杂工艺制备了一种新型O,N-CC集流体，为抑制Zn枝晶生长提供了有效的解决方案。丰富的含氧官能团和氮杂原子不仅为Zn2+的沉积提供了均匀的形核位点，而且调控Zn2+的传输。此外，通过运用各种表征技术，作者发现氧官能团和氮杂原子的协同作用可以引导Zn在()晶面定向沉积。这些优点有效地抑制了Zn枝晶的生成，保证了Zn的均匀镀覆/剥离和高可逆性。综上所述，本工作为制备轻质的三维碳布集流体提供了一种简单可控的方法，为锌金属负极向下一代大规模储能应用的发展开辟了一条新途径。

文章信息

UniformzincdepositiononO,N?dualfunctionalizedcarbonclothcurrentcollector.

MengqiZhou,GuoqiangSun*,Shuang-QuanZang*.

J.EnergyChem.,.

DOI:10./j.jechem..12..

作者信息

臧双全教授，国家杰出青年基金获得者，第十批河南省优秀专家，郑州大学二级教授，博士生导师，宝钢优秀教师，河南省特聘教授，获河南省自然科学一等奖。现任郑州大学化学学院主持工作副院长，绿色催化中心主持工作副主任。担任中国化学会分子聚集发光专业委员会副主任委员、中国化学会分子筛专业委员会委员、中国化学会晶体化学专业委员会委员、河南省化学学会第十届理事会常务理事、《CrystalGrowthDesign》TopicEditor（-）、《无机化学学报》编委、《中国化学》和《结构化学》青年编委。主要研究方向是金属簇化学和金属有机框架材料。主持包括国家杰出青年基金、面上项目等多项国家级和省部级重要科研项目。在包括Nat.Chem.，Natl.Sci.Rev.，Sci.Adv.，Nat.Commun.，JACS(11篇)，Angew.Chem.(14篇)，Adv.Mater.（5篇），Chem.Soc.Rev.（3篇）等期刊发表论文余篇等。所有发表论文被引用超过次。参与撰写3部英文专著。