成果简介
氮（N）掺杂石墨烯具有三维（3D）多孔结构、高柔性和低成本的特点，在开发为电动/电子设备供电的金属空气电池方面具有潜力。石墨烯中 N 掺杂的优化以及基于石墨烯的互连和整体三维多孔结构的设计对于质量/离子扩散和最终的氧还原反应（ORR）/电池性能至关重要。本文，筑波大学Yoshikazu Ito、哈尔滨工业大学（深圳）邱华军 副教授等在《Small》期刊发表名为“All-Solid-State Mg–Air Battery Enhanced with Free-Standing N-Doped 3D Nanoporous Graphene”的论文，研究使用掺杂 N 的纳米多孔石墨烯作为空气阴极，组装出水性和全固态一次镁空气电池。
掺杂 N 的纳米多孔石墨烯具有 50-150 nm 的孔隙，孔隙率约99%，具有与铂相媲美的 ORR 性能，在中性和碱性介质中的耐用性也令人满意。值得注意的是，全固态电池的峰值功率密度为 72.1 mW cm-2；这一数值高于使用铂/碳阴极的电池（54.3 mW cm-2），原因是三维多孔结构中的氮掺杂和快速空气呼吸增强了催化活性。此外，由于固体电解质对镁阳极的腐蚀较慢，全固态电池的性能比水溶液电池更好。这项研究揭示了如何设计具有催化活性的独立三维纳米多孔石墨烯，从而提高镁-空气电池和各种使用中性电解质的碳中性技术的性能。
图文导读
图1、纳米多孔石墨烯样品的形态学表征。
图2、石墨烯样品在O2饱和的1.0M NaCl电解质中在1600rpm下的ORR性能。
图3、石墨烯的RRDE测量。
图4、使用硬币电池的水性Mg-O2电池性能
图5、全固态Mg-O2电池性能。
小结
总之，我们利用掺杂 N 的纳米多孔石墨烯开发出了水系和全固态原生镁-空气电池，这些纳米多孔石墨烯具有整体、双连续和开放式纳米孔。使用 N 掺杂纳米多孔石墨烯的全固态 Mg-O2 电池的性能优于水基 Mg-O2 电池和铂阴极 Mg-O2 电池。高放电性能归功于三维多孔结构中 N 掺杂和充足空气供应的相继配合，以及固体电解质对镁阳极腐蚀的防止。与石墨碳材料不同，阴极的高化学稳定性归功于高质量的石墨烯。不使用贵金属催化剂的多孔石墨烯基空气电极不仅有助于金属空气电池，还有助于各种碳中和技术中具有成本效益和灵活性的轻质电极的开发。
文献：https://doi.org/10.1002/smll.202308045
本文来自材料分析与应用，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
