陈忠伟教授团队ACS Energy Letters金属-空气电池最新进展: 催化位点和本征活性协调共优化双功能氧催化剂性能

【研究背景】

金属-空气二次电池因为其拥有远高于锂离子电池的能量密度，而受到了极大的研究兴趣， 并有望在能源转化与储存领域得到广泛应用。然而，金属-空气电池的发展受限于空气电极较为缓慢的反应动力学。铂、铱、钌等贵金属仍被认为是最好的氧还原或者氧析出催化剂，但它们较差的双功能活性、昂贵的价格等因素，制约了其在金属-空气电池的应用。因此，发展具有优异双功能活性、廉价的非贵金属催化剂便成为了发展金属-空气电池的关键。金属氧化物和碳材料的复合物因为其组分间的协同作用，同时表现出了良好的氧还原和氧析出活性，并被认为是替代贵金属催化剂的潜在对象。目前，提升复合型催化剂电化学性能的方法主要分为两种：增加其活性位点数和提高其本征活性。前者的主要途径是增加材料的比表面积及多孔性，而后者可通过杂原子掺杂来实现。因此，对于复合催化剂进行合理的形貌设计以及结构调控，能有效地推动其在金属-空气电池中的应用。

【成果简介】

近日，加拿大滑铁卢大学应用纳米材料与清洁能源实验室的陈忠伟教授团队在金属-空气电池双功能催化剂研究方面取得重要进展，在能源领域顶级期刊 ACS Energy Letters上发表了题为： Hierarchical Porous Double-Shelled Electrocatalyst with Tailored Lattice Alkalinity toward Bifunctional Oxygen Reactions for Metal−Air Batteries的研究论文，该论文为ACS Energy Letters的热点文章。研究人员首次提出了原位配位的合成方法，并成功制备了具有分级孔结构的双层空心球形（HP-DS）催化剂。纳米级的一次颗粒、空心结构和分级孔结构不仅有效增加了活性位点数，还极大促进了催化过程中反应物和产物的传递扩散。在此基础上，研究人员还提出了一种调控金属氧化物的本征活性的新思路，即通过定量掺杂镁离子改变其晶格碱度，降低活性位点周围的氢氧根浓度，从而优化其氧还原性能。并且，镁离子的掺入还有效提升了催化剂的导电性，使其氧析出活性也得到了提高。所制备得到的催化剂 (Mg, Co)₃O₄@NGC不仅在电催化测试中体现出了优异的双功能活性，还在组装成锌-空气全电池后，表现出较小的充放电电位差和稳定的可充放循环性能。

【图文导读】

图1  催化剂的合成示意图

图2 多孔双层空心球形貌表征

图3 所制备的催化剂的结构特征

图4 所制备的催化剂的电化学及锌-空气电池性能

【小结】

该文章通过形貌设计和本征活性优化两方面入手，并首次提出了原位配位的合成方法和调控晶格碱度的优化策略，为高性能电催化剂设计提供了新思路，进一步促进了锌-空气电池的实际应用。

文章链接：

Hierarchical Porous Double-Shelled Electrocatalyst with Tailored Lattice Alkalinity towards Bifunctional Oxygen Reactions for Metal-air Battery. (ACS Energy Letters, 2017, 2, doi: 10.1021/acsenergylett.7b00989).

陈忠伟教授简介

加拿大滑铁卢大学化学工程系教授、加拿大先进能源材料研究主席、加拿大工程院院士、加拿大皇家科学院青年院士，带领一支约50人的研究团队多年来致力于燃料电池、高能硅基锂离子电池、硅硫锂电池、锌空储能电池以及超级电容器的低成本纳米材料的开发与创新；近年来在国际知名期刊发表论文200余篇，其中包括Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials、Energy & Environmental Science、Nano Letters、ACS Nano。目前为止，其文章已引用次数超过13,000次，单篇最高引用超过900次，32篇论文引用次数超过100次，H-index指数高达54。

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