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哈工程研发的“微纳米3D阵列电极”获突破 |
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| http://cn.newmaker.com
4/7/2015 1:44:00 PM
中国工业报 记者 由庆祝
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日前，中国工业报记者在哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院采访时获悉，曹殿学教授带领的新能源材料与电化学研究所研发的“微纳米3D阵列电极”， 通过3D结构设计，微纳米化制备，活性材料组成的优化，以其取代传统的使用粘结剂粘合的电极，制备方法简单，大大提高电池或电容器的性能，且具有相当大的生产应用价值，受到了该领域国内外专家的广泛关注，标志着微纳米结构3D阵列电极的制备及其电化学性能研究上取得新的突破。
据介绍，燃料电池、超级电容器和锂离子电池由于其独特的优点被看作是新能源汽车的主要动力来源，其开发研究倍受各国政府、学术界和企业广泛重视。其中电极材料的研究更是重中之重，电极材料的好坏直接影响化学电池的性能。
新成果制备的泡沫镍载3D Co3O4微纳米线阵列，纳米线直径约为50～250 nm、长度约为10～15 μm，单电极充放电循环测试500次后仍保持在529.7 F?g-1的高比容量。该成果采用氨诱导模板法，在泡沫镍上制备了价格低廉的CuO纳米片电极以及介孔Ni(OH)2电极，其中Ni(OH)2电极以电流密度为1 A?g-1恒流充放电测试时，放电比容量高达1030 F?g-1。采用水热法制备了微米棒状Co3O4/graphene复合物，其作为锂离子电池负极材料的储锂性能研究结果表明其经过103次循环充放电后，嵌锂容量为1005 mAh?g-1，脱锂容量为975 mAh?g-1，不可逆容量仅占3％，表现出了非常惊人的可逆性和良好的循环性能。
新成果在燃料电池方面，为降低燃料电池成本，首次通过预构具有三维纳米线阵列结构的导电基体，实现了高效催化剂的简单制备，大大提高了贵金属催化剂的利用率。以高温热解丙酮在钛片表面自生长得到的C@TiO2纳米棒阵列为骨架，采用电沉积法在纳米棒上负载Pd，得到了Pd-C@TiO2三维微纳米阵列电极。利用自还原法在泡沫镍表面得到了粒径大约为50 nm的Au颗粒，并以此作为直接硼氢化物-过氧化氢燃料电池的阴阳极电极,组装的燃料电池能够达到最大功率密度102 mW?cm-2。
新成果在反应机理方面，首次发现了Co基金属氧化物的对过氧化氢电化学氧化还原催化作用，同时发现了通过3D纳米线结构的设计和晶格调变，可以有效提高电极的催化活性和选择性，初步提出碱性介质中H2O2电还原的反应途径及其速度控制步骤。
据悉，新成果克服了传统电极两步制备法中需要粘结剂和导电剂以及电活性材料利用率低等问题。同时，所提出的无碳无粘结剂的自支撑高效催化电极、Co基金属氧化物的对过氧化氢电化学氧化还原催化机理丰富和发展了电池、电容器等化学电源理论，具有重要的工程应用价值。这些研究成果得到了国内外同行的高度评价，很多知名学者在研究纳米线电极时都借鉴新成果提出的基本反应理论、设计思路和制备方法，其中有3篇论文他引过百次，7篇文章进入ESI高引用论文。
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