Plasma-assisted synthesis of transition metal-based nanostructures for zinc-air batteries

Rechargeable zinc-air batteries, which present the advantages of low cost, high theoretical energy density and intrinsic safety, have been considered as a promising energy storage device to replace the current lithium-based batteries. The practical performance of rechargeable zinc-air batteries is strongly related to the reaction rate of the oxygen-involved reaction at their air cathodes, including the oxygen evolution reaction (OER) during the charge process and the oxygen reduction reaction (ORR) during the discharge process. Although noble-metal-based materials exhibit the highest electrocatalytic activities for these reactions, their high prices and poor stability still hinder them for future applications. Therefore, finding an efficient bifunctional electrocatalyst is necessary for the commercial applications of rechargeable zinc-air batteries.

Transition metal-based catalysts have been accepted as promising candidates to replace these noble-metal-based catalysts owing to their low cost, natural abundance and high stability. In this thesis, a self-supported catalyst of spinel NiCo2O4 nanowires coated on the commercial carbon paper was synthesized by a hydrothermal method followed by an annealing process. To further enhance the electrocatalytic performance of the catalyst, the low-pressure plasma treatments based on different gases were conducted to tune its electronic structure and optimize its surface properties.

Wiederaufladbare Zink-Luft-Batterien, die sich durch niedrige Kosten, hohe theoretische Energiedichte und inhärente Sicherheit auszeichnen, gelten als vielversprechende Energiespeicher, die die derzeitigen Lithiumbatterien ersetzen könnten. Die praktische Leistung von wiederaufladbaren Zink-Luft-Batterien hängt stark von der Reaktionsgeschwindigkeit der Sauerstoffreaktion an ihren Luftkathoden ab, einschließlich der Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) während des Ladevorgangs und der Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) während des Entladevorgangs. Obwohl Materialien auf Edelmetallbasis die höchste elektrokatalytische Aktivität für diese Reaktionen aufweisen, sind sie aufgrund ihres hohen Preises und ihrer geringen Stabilität für künftige Anwendungen noch nicht geeignet. Daher ist die Suche nach einem effizienten bifunktionalen Elektrokatalysator für die kommerzielle Anwendung von wiederaufladbaren Zink-Luft-Batterien notwendig.

Katalysatoren auf der Basis von Übergangsmetallen gelten aufgrund ihrer geringen Kosten, ihres natürlichen Vorkommens und ihrer hohen Stabilität als vielversprechende Kandidaten, um diese Katalysatoren auf Edelmetallbasis zu ersetzen. In dieser Arbeit wurde ein selbsttragender Katalysator aus einem NiCo2O4-Spinell mit Nanodrähten, der auf handelsübliches Kohlenstoffpapier beschichtet ist, durch eine hydrothermale Methode und einer anschließenden Wärmebehandlung synthetisiert. Um die elektrokatalytische Leistung des Katalysators weiter zu verbessern, wurden Niederdruck-Plasmabehandlungen mit verschiedenen Gasen durchgeführt, um seine elektronische Struktur zu modifizieren und seine Oberflächeneigenschaften zu optimieren.

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