铁纳米颗粒封装C-N复合电极铁空气电池的性能

论文标题：Performance of iron-air battery with iron nanoparticle-encapsulated C–N composite electrode

作者：Can FANG, Xiangmei TANG, Jiaoyan WANG, Qingfeng YI

发表时间：01 Oct 2023

主要内容

高效稳定的铁电极对于铁空气电池（IAB）的发展具有重要意义。文章以聚苯胺为C-N源，通过热解合成了纳米铁颗粒封装的C-N复合材料（NanoFe@CN）。通过循环伏安法（CV）研究了 NanoFe@CN 在不同电解质（碱性、中性和准中性）中的电化学性能。IAB以NanoFe@CN作为阳极，IrO₂+ Pt/C作为阴极组装而成。文章还研究了不同的充放电电流密度和电解液对电池性能的影响。中性K₂SO₄电解液可以有效抑制铁电极的钝化，电池在180次充放电循环中表现出良好的循环稳定性。与纯纳米铁（NanoFe）电池相比，NanoFe@CN电池无论在KOH还是NH₄Cl + KCl电解液中都具有更高的循环稳定性。

本文通过使用硝酸铁和聚苯胺的简单热解方法合成了铁纳米粒子嵌入的CN复合材料（NanoFe@CN）。研究了NanoFe@CN在不同电解质（碱性、中性和准中性）中的氧化和还原过程，结果表明，0.5 mol/L K₂SO₄ 电解质可以优化反应步骤并抑制含铁催化剂的钝化。以 NanoFe@CN 作为阳极组装了可充电 IAB。对于催化剂NanoFe@CN来说，其合理的氮掺杂碳层封装结构固定并保护了铁纳米颗粒，使其无论在碱性还是中性电解质中都具有高稳定性。

与NanoFe电池相比，NanoFe@CN电池在碱性（KOH）、准中性（KCl + NH₄Cl）和中性（K₂SO₄）电解质中均表现出较高的充放电循环稳定性和较高的放电电压。特别是在0.5 mol/L K₂SO₄电解液中，NanoFe@CN保持稳定的电压180次充放电循环后效率良好，进一步证明0.5 mol/L K₂SO₄电解液可以降低析氢反应的影响，抑制铁电极的钝化。这些结果表明，C-N复合材料包覆的铁纳米颗粒是一种合适的IAB负极材料。该研究为IAB阳极的开发提供了有价值的实验思路。

图1 NanoFe@CN制备和IAB测试的流程示意图。

图2 NanoFe@CN的(a,b)SEM图像，(c)EDS谱，(d)X射线衍射图。

原文信息

Performance of iron-air battery with iron nanoparticle-encapsulated C–N composite electrode

Can FANG¹, Xiangmei TANG¹, Jiaoyan WANG¹, Qingfeng YI^2*

Author information

1. School of Chemistry and Chemical Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China

2. School of Chemistry and Chemical Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China; Hunan Provincial Key Laboratory of Advanced Materials for New Energy Storage and Conversion, Xiangtan 411201, China

Keywords

energy storage and conversion, metallic composites, nanocomposites, iron-air battery, iron anode

Cite this article

Can FANG, Xiangmei TANG, Jiaoyan WANG, Qingfeng YI. Performance of iron-air battery with iron nanoparticle-encapsulated C–N composite electrode. Front. Energy, https://doi.org/10.1007/s11708-023-0913-5

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Frontiers in Energy （SCI），能源领域综合性英文学术期刊，于2007年创刊，现为中国工程院院刊之一 (Transactions of CAE)。翁史烈院士和倪维斗院士任名誉主编。中国工程院院士黄震、周守为、苏义脑、彭苏萍任主编，加拿大皇家科学院、加拿大工程院、中国工程院外籍院士张久俊、美国康涅狄格大学校长、教授Radenka Maric、法国普瓦捷大学教授Nicolas Alonso-Vante和上海交通大学教授巨永林任副主编。