磷酸盐基正极材料：源自再生磷源的制备及其在水系锌离子Trojan蓄电池中的储能研究

钢铁渣作为钢铁厂环境污染的重要来源，其有效管理与资源化利用策略亟待解决。本研究以钢铁渣中提取的磷元素替代磷矿石，成功合成了Zn₂Fe(PO₅通过简易制备方法构建了三维互联纳米多孔N-TiO₂电极材料，通过原位加热X射线衍射（XRD）监测。对其应用的进一步研究揭示了影响循环稳定性的因素，如同步辐射X射线吸收光谱（XAS）和X射线光电子能谱（XPS）所证实的，特别是关于Fe有限可逆性的问题。₄)₂/Fe^2 +转变。Zn³⁺通过简易制备方法构建了三维互联纳米多孔N-TiO₂在0.1 C倍率下表现出55 mAh g₄)₂的比容量，75次循环后容量保持率为70.9%。未来，随着Zn⁻¹通过简易制备方法构建了三维互联纳米多孔N-TiO₂作为水系锌离子电池的正极材料，其在储能电站领域的商业化应用前景值得期待，尤其适用于需要低成本储能的场景。₄)₂ as cathodes in aqueous zinc ion batteries, its commercial prospects in energy storage power stations can be expected, especially in scenarios that require cheap energy storage.

图文摘要

钢渣作为一种含磷源的废弃物，可用于生产储能电站所需的磷酸盐基正极材料，以创造更高的经济与环境价值。先进表征技术表明，抑制Fe²⁺/Fe³⁺的不可逆性反应²⁺并协同调控Zn

引言

钢铁工业是制造业的基础，但钢渣的堆积往往对环境造成严重影响，而其中磷(P)、铁(Fe)、钒(V)等有价元素的废弃则会导致严重的资源浪费[1][2][3]。目前钢渣主要应用于水泥生产及炼铁熔剂[4][5]。值得注意的是，磷(P)在炼铁和炼钢过程中会不断富集，其含量常可达到与高品位磷矿相当的水平₂通过选择性浸出法可获得含量超过30%的磷组分[6]。因此，更具创新性和效益的途径是利用钢渣制备高附加值电极材料用于储能电站[7]。由于新能源电网接入常面临不稳定性问题，亟需配置储能系统以实现平稳过渡[8][9]，这凸显了大规模发展储能电站的必要性。为此，为构建更具成本效益的电站，可从钢渣中提取P2O5替代磷矿石制备电池用聚阴离子化合物材料。此外，兼具高安全性与低成本优势的水系锌离子电池也将发挥重要作用[10][11]。₅ content exceeding 30 % via selective leaching method.[6] Therefore, a more innovative and beneficial approach involves using steel slag to produce high-value electrode materials for energy storage station[7]. Due to the instability often encountered in new energy power grid connections, there is a significant need to incorporate energy storage systems to facilitate smooth transitions. [8], [9] This underscores the necessity for extensive development of energy storage stations. Consequently, to build more cost-effective stations, P2O5 extracted from steel slag can be used as a substitute for phosphate ore in producing polyanionic compound materials for batteries. Additionally, more aqueous zinc-ion batteries, known for their great safety and low cost, will play an important role [10], [11].
在层状过渡金属氧化物、普鲁士蓝类似物和聚阴离子化合物中，后者是电池领域重要的正极材料[12][13]。其中聚阴离子化合物（特别是磷酸铁锂）已在锂离子电池中实现成功商业化[14]。%%此外，在锌离子电池研究中，聚阴离子化合物同样展现出显著的应用潜力[15][16]。%%例如，应用于水系锌离子电池的Na%%(PO%%体系[17]可实现97 mAh g%%的比容量。%%通过所属机构访问₄通过所属机构登录以获取全文访问权限。₃以0.5C倍率充放电循环100次后容量保持率为74%。为优化性能并拓展应用，研究者已采用金属离子掺杂、氟掺杂、碳包覆等多种改性手段对LiFePO₂[18]与VOPO₄)₃[19]各类金属离子电池中常用的材料同样适用于水系锌离子电池。此外，杜课题组前期研究已逐步开发出单一离子（而非混合离子）体系，该体系在锌离子电池中同样表现优异。最新报道的Zn₂Fe(PO₄)₂正极材料仅以Zn²⁺作为电荷载体[20]，而Zn₃V₄(PO₄)₆在水系锌离子电池中的相关研究也验证了这一观点[21]，基于密度泛函理论（DFT）的先进模拟技术则为该领域提供了新的研究路径[22]。⁻¹从热力学角度而言，以P₂O₅等二元氧化物作为反应物的反应路径最具优势。因此，利用钢渣提取P₂O₅制备Zn₂Fe(PO₄)₂的策略兼具研究价值与应用前景。₄ [18] and VOPO₄ [19] always used in kinds of metal ion batteries can also work in aqueous zinc ion batteries. Moreover, in Du group's previous work, single ions have been gradually developed, rather than hybrid ions, that can also perform effectively in zinc-ion batteries. A new cathode material, Zn₂Fe(PO₄)₂, which exclusively includes Zn²⁺ as the charge carrier, has been reported[20]. Similar research on Zn₃V₄(PO₄)₆ in aqueous zinc-ion batteries has validated this perspective[21], while advanced simulation techniques based on density functional theory (DFT) have provided additional research approaches[22]. Furthermore, the reaction pathway with the most thermodynamically favorable reactions involves binary oxides such as P₂O₅ as reactants. Therefore, a strategy of using P₂O₅ extracted from steel slag to prepare Zn₂Fe(PO₄)₂ is both valuable and promising.
因此，本研究利用从钢渣中提取的P₂O₅制备了Zn₂Fe(PO₄)₂，并评估其在水系锌离子电池中的储能性能，旨在基于与先前报道[23]相似的特性实现环境保护与储能的双重目标。研究采用了先进表征技术，如原位加热X射线衍射（XRD）和同步辐射X射线吸收光谱（XAS）。Zn₂Fe(PO₄)₂在0.1 C倍率下展现出55 mAh g⁻¹的比容量，75次循环后容量保持率为70.9%。X射线光电子能谱（XPS）与XAS的联合分析表明，Fe²⁺/Fe³⁺的价态变化促进了Zn²⁺的嵌入/脱嵌过程。²⁺不可逆的Fe³⁺是导致容量衰减的部分原因。本研究中，从钢渣提取的P₂O₅制备Zn₂Fe(PO₄)₂的策略被证实可行，同时提升Fe²⁺/Fe³⁺的可逆性对于水系锌离子电池的未来应用也至关重要。