有利于推動金屬-空氣二次電池的發(fā)展

●創(chuàng)新點(diǎn)

金屬-空氣二次電池因其擁有遠(yuǎn)高于鋰離子電池的能量密度，成為研究的熱點(diǎn)，并有望在能源轉(zhuǎn)化與儲存領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，由于空氣電極的反應(yīng)緩慢，金屬-空氣電池的發(fā)展受到了一定的限制。鉑、銥、釕等貴金屬仍被認(rèn)為是最好的氧還原或者氧析出催化劑，但它們雙功能活性較差且價格昂貴，制約了其在金屬-空氣電池的應(yīng)用。因此，發(fā)展具有優(yōu)異雙功能活性、廉價的非貴金屬催化劑便成為發(fā)展金屬-空氣電池的關(guān)鍵。加拿大滑鐵盧大學(xué)應(yīng)用納米材料與清潔能源實(shí)驗(yàn)室的陳忠偉團(tuán)隊(duì)在金屬-空氣電池雙功能催化劑研究方面取得重要進(jìn)展。

●方法和結(jié)果

前期研究發(fā)現(xiàn)，金屬氧化物和碳材料的復(fù)合物因?yàn)槠浣M分之間存在協(xié)同作用，同時表現(xiàn)出了良好的氧還原和氧析出活性，被認(rèn)為是替代貴金屬催化劑的潛在對象。目前，提升復(fù)合型催化劑電化學(xué)性能的方法主要有兩種：增加其活性位點(diǎn)數(shù)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(shí)現(xiàn)。因此，對于復(fù)合催化劑進(jìn)行合理的形貌設(shè)計以及結(jié)構(gòu)調(diào)控，能有效地推動其在金屬-空氣電池中的應(yīng)用?；F盧大學(xué)的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(jié)構(gòu)的雙層空心球形（HP-DS）催化劑。納米級的一次顆粒、空心結(jié)構(gòu)和分級孔結(jié)構(gòu)不僅有效增加了活性位點(diǎn)數(shù)，還極大地促進(jìn)了催化過程中反應(yīng)物和產(chǎn)物的傳遞擴(kuò)散。在此基礎(chǔ)上，研究人員還提出了一種調(diào)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(diǎn)周圍的氫氧根濃度，從而優(yōu)化其氧還原性能。鎂離子的摻入還有效提升了催化劑的導(dǎo)電性，使其氧析出活性也得到了提高。制備得到的催化劑不僅在電催化測試中體現(xiàn)出了優(yōu)異的雙功能活性，還在組裝成鋅-空氣電池后，表現(xiàn)出較小的充放電電位差和穩(wěn)定的可充放循環(huán)性能。

應(yīng)用前景

該研究從形貌設(shè)計和本征活性優(yōu)化兩方面入手，首次提出了原位配位的合成方法和調(diào)控晶格堿度的優(yōu)化策略，為高性能電催化劑設(shè)計提供了新思路，進(jìn)一步促進(jìn)了鋅-空氣電池的實(shí)際應(yīng)用。

Source：Ya-Ping Deng, Yi Jiang, Dan Luo, Et al.Hierarchical porous double-shelled electrocatalyst with tailored lattice alkalinity toward bifunctional oxygen reactions for metal–air batteries [J].ACS Energy Letters,2017, 2(12): 2706–2712.