陳忠偉教授團隊ACS Energy Letters金屬-空氣電池最新進展: 催化位點和本征活性協調共優化雙功能氧催化劑性能
【研究背景】
金屬-空氣二次電池因為其擁有遠高于鋰離子電池的能量密度，而受到了極大的研究興趣， 并有望在能源轉化與儲存領域得到廣泛應用。然而，金屬-空氣電池的發展受限于空氣電極較為緩慢的反應動力學。鉑、銥、釕等貴金屬仍被認為是最好的氧還原或者氧析出催化劑，但它們較差的雙功能活性、昂貴的價格等因素，制約了其在金屬-空氣電池的應用。因此，發展具有優異雙功能活性、廉價的非貴金屬催化劑便成為了發展金屬-空氣電池的關鍵。金屬氧化物和碳材料的復合物因為其組分間的協同作用，同時表現出了良好的氧還原和氧析出活性，并被認為是替代貴金屬催化劑的潛在對象。目前，提升復合型催化劑電化學性能的方法主要分為兩種：增加其活性位點數和提高其本征活性。前者的主要途徑是增加材料的比表面積及多孔性，而后者可通過雜原子摻雜來實現。因此，對于復合催化劑進行合理的形貌設計以及結構調控，能有效地推動其在金屬-空氣電池中的應用。
【成果簡介】
近日，加拿大滑鐵盧大學應用納米材料與清潔能源實驗室的陳忠偉教授團隊在金屬-空氣電池雙功能催化劑研究方面取得重要進展，在能源領域頂級期刊 ACS Energy Letters上發表了題為： Hierarchical Porous Double-Shelled Electrocatalyst with Tailored Lattice Alkalinity toward Bifunctional Oxygen Reactions for Metal?Air Batteries的研究論文，該論文為ACS Energy Letters的熱點文章。研究人員首次提出了原位配位的合成方法，并成功制備了具有分級孔結構的雙層空心球形（HP-DS）催化劑。納米級的一次顆粒、空心結構和分級孔結構不僅有效增加了活性位點數，還極大促進了催化過程中反應物和產物的傳遞擴散。在此基礎上，研究人員還提出了一種調控金屬氧化物的本征活性的新思路，即通過定量摻雜鎂離子改變其晶格堿度，降低活性位點周圍的氫氧根濃度，從而優化其氧還原性能。并且，鎂離子的摻入還有效提升了催化劑的導電性，使其氧析出活性也得到了提高。所制備得到的催化劑 (Mg, Co)3O4@NGC不僅在電催化測試中體現出了優異的雙功能活性，還在組裝成鋅-空氣全電池后，表現出較小的充放電電位差和穩定的可充放循環性能。
【圖文導讀】
圖1? 催化劑的合成示意圖
圖2 多孔雙層空心球形貌表征
圖3 所制備的催化劑的結構特征
圖4 所制備的催化劑的電化學及鋅-空氣電池性能
【小結】
該文章通過形貌設計和本征活性優化兩方面入手，并首次提出了原位配位的合成方法和調控晶格堿度的優化策略，為高性能電催化劑設計提供了新思路，進一步促進了鋅-空氣電池的實際應用。
文章鏈接：
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).
陳忠偉教授簡介
加拿大滑鐵盧大學化學工程系教授、加拿大先進能源材料研究主席、加拿大工程院院士、加拿大皇家科學院青年院士，帶領一支約50人的研究團隊多年來致力于燃料電池、高能硅基鋰離子電池、硅硫鋰電池、鋅空儲能電池以及超級電容器的低成本納米材料的開發與創新；近年來在國際知名期刊發表論文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。目前為止，其文章已引用次數超過13,000次，單篇最高引用超過900次，32篇論文引用次數超過100次，H-index指數高達54。
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