青岛大学–​原位合成固定在还原氧化石墨烯上的MnO/C纳米颗粒作为高性能锌离子电池阴极，具有增强的锌存储性能

水系电池因其成本效益和安全性非常适合大容量的能量存储。锌电极由于具有较低的平衡电位和较高的交换电流密度，使水锌离子电池(ZIBs)成为一种非常有前途的储能装置。ZIBs的进步取决于复杂的正极材料的开发和生产，这些正极材料与锌阳极匹配，并表现出出色的电化学性能。本文通过将Mn – MOFs直接锚定在还原氧化石墨烯(rGO)片上，然后在氩气和氢气气氛中热处理，合成了MnO/C@rGO复合材料。作为ZIBs的阴极，氧化石墨烯促进了小尺寸纳米颗粒的生成，并将包裹在碳层中的MnO固定在氧化石墨烯薄片上，这样不仅可以减缓锰的溶解速度，还可以提高电导率。这些特性使MnO/C@rGO阴极具有良好的循环稳定性(在2 A g^-1下1200次循环后容量保持85.1%)和倍率性能(在0.2 A g^-1下318.7 mAh g^-1)。这一研究成果将为基于MOFs的ZIBs阳极的设计和制备提供新的方向。

图1. a) MnO/C@rGO复合材料制备示意图。b、c) MnO/C@rGO的SEM图像。d, e, f) MnO/C@rGO的HRTEM图。g) MnO/C@rGO的SEM显微图和EDS图。h) MnO/C和MnO/C@rGO的XRD谱图。i) GO和MnO/C@rGO的拉曼光谱。j)空气气氛下MnO/C和MnO/C@rGO的TG曲线。

图2. MnO/C@rGO复合材料的XPS光谱:a)测量光谱和高分辨率光谱，b) Mn 2p, c) C 1s, d) O 1s光谱。

图3. a) 0.8 mV s^–1时的CV曲线和b) 0.2 A g^–1时MnO/C@rGO电极的充放电曲线。c)不同电流密度下MnO/C@rGO的GCD曲线。d)速率性能比较。e) MnO/C@rGO与其他锰基阴极的性能比较。f) 0.2 A g^–1下MnO/C@rGO和MnO/C的循环测试和库仑效率。g) MnO/C@rGO和MnO/C阴极在2A g^–1下的循环性能。

图4. a)不同扫描速率下MnO/C@rGO的CV曲线。b) CV曲线峰值的lg (i) vs. lg (v)图。c)电容贡献。d)GITT曲线。e) MnO/C@rGO的Zn²⁺扩散系数; f)循环过程中GITT曲线选择步。g) MnO框架中Zn²⁺的插入/提取示意图。h) MnO/C@rGO和MnO/C的环境影响评估报告。

图5. a)非原位XRD测试。b)完全充放电时的XPS光谱。c)充、放电后MnO/C@rGO的HRTEM图像。d) MnO/ C@rGO在完全充放电状态下的EDS图像。

图6. a) ZIBs锌储存机理图。b) MnO/C@rGO阴极组装电池装置点亮LED。

相关研究成果由青岛大学材料科学与工程学院石墨烯应用技术创新研究院Hongjie Zhang 等人于2024年发表在Journal of Energy Storage (https://doi.org/10.1016/j.est.2024.111331)上。

原文：In situ synthesis of MnO/C nanoparticles anchored on reduced graphene oxide as high-performance zinc ion battery cathode with enhanced zinc storage performance