中科大陈维Nat. Commun.：一类新型的电催化型氢气电容器
【背景介绍】
电化学储能器件对实现“碳达峰、碳中和”目标起到重要的作用。与电池储能相比较，电化学双电层电容器（EDLC）具有更高的功率密度（>10 kW kg-1）和更长的循环寿命（>1000000次），可应用于许多高功率密度储能领域。然而，电化学双电层电容器通过离子在电极与电解液界面的吸附来存储电荷，具有较低的能量密度（~10 Wh kg-1）。金属离子型混合电容器采用电池型电极与电容型电极相结合的概念，既兼备电容器的高功率密度、长寿命又具有电池的高能量密度，被认为是具有前景的研究方向。然而，目前开发的金属离子型混合电容器的充放电倍率（≤20 A g-1）及循环寿命（<100000次）均相对较低。因此，在保证循环寿命和功率密度的前提下，开发高性能的混合电容器对其在储能领域的应用至关重要。
基于氢气的电催化型电极因其资源丰富、分子质量轻、动力学快、析氢与氢气氧化反应（HER/HOR）过电位低等优势，被认为是一种非常有前景的储能电极材料。此外，氢气电极能够在全pH值范围（0-14）的电解液中稳定工作。至今为止，一系列新型的氢气电池体系已经被相继报道，均表现出良好的倍率和循环性能。因此，利用电催化型氢气电极的独特优势，开发一种高功率和能量密度、长循环寿命的储能装置具有重要意义。
【成果简介】
近日，中国科学技术大学陈维教授团队报道了一类新型的电催化型氢气电容器（EHGC）。该电催化型氢气电容器是通过将电容型碳正极与电催化型氢气负极相结合的方式开发出来的。在充电过程中，电解液中的阴离子向碳电极表面迁移并发生吸附，形成双电层，而电解液中的H+向负极迁移，在Pt/C催化剂的作用下还原成H2。放电过程正好与充电过程相反，吸附的阴离子在正极上脱离并迁移到电解液中，H2在负极上被氧化。这种电催化型氢气电容器能够在较宽的温度范围（-70~60 ℃）和全pH值范围（0~14）的电解液中稳定工作。例如，该电催化型氢气电容器在9 M H3PO4电解液与1 A g-1的电流密度下的能量密度与功率密度分别为45 Wh kg-1和458 W kg-1（基于两电极的活性物质质量）。另外，该储能装置在中性1 M磷酸盐缓冲溶液电解液中循环10万次以后，其电容仍保持为初始值的85%。研究成果以题为“Production of a hybrid capacitive storage device via hydrogen gas and carbon electrodes coupling”发表在Nature Communications。本文通讯作者为陈维，第一作者为中国科学技术大学博士生朱正新。
【图文解读】
图一、电催化型氢气电容器的设计原理图
（a）电催化型氢气电容器的工作原理图；
（b）电催化型氢气电容器与电化学双电层电容器的电极工作示意图对比。
图二、电催化型氢气电容器在酸性电解液中的电化学性能
（a）扫描速度为10 mV s-1的CV曲线；
（b）电流密度为1 A g-1的充放电曲线；
（c）不同电流密度下的充放电曲线；
（d）电催化型氢气电容器与双电层电容器的电容值对比；
（e）电流密度为20 A g-1的循环性能；
（f）电流密度为1 A g-1在不同气氛（H2或Ar）下的循环性能；
（g, h）与文献中报道的其它电容器的比较。
图三、电催化型氢气电容器在中性电解液中的电化学性能
（a）不同扫描速度下的CV曲线；
（b）电流密度为1 A g-1不同电压区间的充放电曲线；
（c）不同电流密度下的充放电曲线；
（d）扫描速度为10 mV s-1的CV曲线；
（e）电流密度为1 A g-1的充放电曲线；
（f）电催化型氢气电容器与双电层电容器的电容值对比；
（g）电流密度为10 A g-1的循环性能。
图四、电催化型氢气电容器在碱性电解液中的电化学性能
（a）扫描速度为10 mV s-1的CV曲线；
（b）电流密度为1 A g-1的充放电曲线；
（c）不同电流密度下的充放电曲线；
（d）电催化型氢气电容器与双电层电容器的电容值对比；
（e）电流密度为10 A g-1的循环性能。
图五、电催化型氢气电容器的全气候电化学性能
（a）温度为60 ℃的倍率充放电曲线；
（b）电流密度为1 A g-1在不同温度的充放电曲线；
（c）温度为-60 ℃的倍率充放电曲线；
（d）温度为-70 ℃的倍率充放电曲线；
（e）不同温度和倍率下的电容值；
（f）温度为-20 ℃且电流密度为4 A g-1的循环性能.
图六、第一性原理计算和不同电容器的比较
（a-c）理论计算正极与负极的反应；
（d）氢气负极与碳正极在不同pH值电解液中的电极电势；
（e，f）电催化型氢气电容器与双电层电容器的各项性能参数比较。
【小结】
本文设计并测试了一类新型的电催化型氢气电容器储能设备。该电容器由电催化型氢气负极与碳正极耦合而成，表现出能在全pH值电解液和全气候环境下正常工作的特点。该电催化型氢气电容器在功率密度为458 W kg-1时具有295 F g-1的比电容和45 Wh kg-1的能量密度。另外，它也展示出优异的充放电倍率（30 A g-1）与长的循环寿命（100000次），使其成为实际储能应用的有力竞争者。这项工作展示了一类新型的催化型混合电容器的开发，突出了电催化型氢气电极对提高传统双电层电容器性能的重要性。
文献链接：Production of a hybrid capacitive storage device via hydrogen gas and carbon electrodes coupling
（Nat. Commun., 2022, 13, 2805, DOI: 10.1038/s41467-022-30450-0）
相关工作
- Zhengxin Zhu, Weiping Wang, Yichen Yin, Yahan Meng, Zaichun Liu, Taoli Jiang, Qia Peng, Jifei Sun, Wei Chen*, An Ultrafast and Ultra-Low-Temperature Hydrogen Gas-Proton Battery, Journal of the American Chemical Society, 2021, 143, 20302-20308.https://doi.org/10.1021/jacs.1c09529.
- Zhengxin Zhu, Yahan Meng, Yichen Yin, Zaichun Liu, Taoli Jiang, Qia Peng, Teng Yin, Mengyao Li, Wei Chen*, High Performance Aqueous Prussian Blue Analogue-Hydrogen Gas Hybrid Batteries, Energy Storage Materials, 2021, 42, 464-469. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.07.050
- Zhengxin Zhu, Yahan Meng, Yi Cui, Wei Chen*, An Ultrastable Aqueous Iodine-Hydrogen Gas Battery, Advanced Functional Materials, 2021, 31, 2101024. https://doi.org/10.1002/adfm.2021010244.
- Wei Chen#, Guodong Li#, Allen Pei, Yuzhang Li, Lei Liao, Hongxia Wang, Jiayu Wan, Zheng Liang,GuangxuChen, Hao Zhang,Jiangyan Wang, Yi Cui*, A Manganese-Hydrogen Battery with Potential for Grid-Scale Energy Storage, Nature Energy, 2018, 3, 428-435. https://doi.org/10.1038/s41560-018-0147-7.
- Wei Chen, Yang Jin, Jie Zhao, Nian Liu, Yi Cui*, Nickel-Hydrogen Batteries for Large-Scale Energy Storage, Proceedings of the National Academy of Sciences, U. A.2018, 115 (46), 11694-11699. https://doi.org/10.1073/pnas.1809344115.
作者简介：
陈维，中国科学技术大学化学与材料科学学院应用化学系特任教授，博士生导师，合肥微尺度物质科学国家研究中心教授，国家人才项目计划入选者。2008年于北京科技大学获材料物理学士学位；2013年于阿卜杜拉国王科技大学获材料科学与工程博士学位；其后于斯坦福大学从事博士后研究工作；2019年7月入职中国科学技术大学。陈维教授专注于大规模储能电池，电催化等研究，在上述领域取得了一系列科研成果。以第一作者和通讯作者身份在Nature Energy, PNAS, JACS, Nano Letters, ACS Nano, Advanced Energy Materials, eScience等国际期刊发表论文70余篇，论文总被引8000余次，H因子44。陈维老师课题组网页：http://staff.ustc.edu.cn/~weichen1。
朱正新，中国科学技术大学博士生（导师为陈维教授）。2017年于中国地质大学（武汉）获得工学学士学位，现就读于中国科学技术大学应用化学系无机化学专业。朱正新博士专注于新型水系可充电氢气电池的开发，以第一作者身份在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Nano lett.、Adv. Funct. Mater.、Energy Storage Mater.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Mater. Today Energy、Chem. J. Chin. Univ.等国际期刊发表论文8篇，IF>10的论文5篇，论文总被引200余次。
【课题组招聘】
中国科学技术大学陈维教授课题组诚聘联合博士后
一、研究方向
本课题组科研经费充足，拥有一流的工作环境，积极开放的学术氛围和优越的国内外交流合作。陈维教授秉持着材料创新与发现的研究理念，通过材料合成、结构设计和系统创新等研究方法将课题组研究集中但不局限于：
新型水系离子储能电池
氢气二次电池的开发与应用
新型高能量密度电池体系
电催化剂的调控与应用
二、申请条件
身心健康、责任心强、有团队精神、工作积极主动、创新能力强
已获得（博士毕业三年之内）或即将获得化学，材料，物理，化工等相关博士学位
优先考虑有电池、电催化等相关研究背景和实验平台搭建经验的申请人
具有良好的英文听说读写能力
近5年发表过高水平学术论文（至少1篇）
年龄不超过35周岁
三、招聘人数：1 人
四、岗位待遇
聘期2-3年。
工资待遇 （基础年薪税后35万元以上+10万元生活补贴（需进一步确认））：
此职位为中科大与深圳研究机构联合招聘，工作地点是中国科学技术大学陈维课题组，开始时间灵活。
五险一金：社会保险（基本养老保险、失业保险、基本医疗保险及医疗救助保险、工伤保险、生育保险）和住房公积金。
五、申请程序
请申请者将个人简历等材料发送给陈维老师（weichen1@ustc.edu.cn），邮件以“博后申请+姓名”命名。
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