Small Methods:针对锌-空气电池的氧电极催化剂材料研究最新进展

锌-空气电池由于其洁净和高能量密度特性而备受研究人员关注,它是通过金属锌和空气中的氧气发生氧化还原反应将化学能转化为电能,具有1086 Wh kg−1的高理论容量,是现在商用锂电池的2.5倍。迄今为止,锌-空气原电池已经被成功的应用在了医药、电子通信等领域,为了扩展其应用领域,研制出了可充电锌-空气电池。虽然锌-空气电池有巨大的应用潜力,但是其长远的应用和发展依然存在很多亟待解决的问题,最显著的是其低工作电压(< 1.65 V)和高充电电压(≥ 2 V)。解决这些问题的关键是提高空气电极的效率,即加速空气电极的基本电化学反应(氧还原和氧析出反应)的反应速率。基于此,研究人员一直致力于高效氧电催化剂的研究,并取得了非常大的进展。

澳大利亚格里菲斯大学姚向东教授和青岛大学杨东江教授姚在Small Methods上撰写综述,总结了近年来关于锌-空气电池氧电催化剂材料的制备和机理探索方面的重要研究进展。 姚向东教授研究组近年来主要在电催化的基本理论构筑,即缺陷电催化方面做出一系列工作。并发展了基本的方法来制备/定向制备具有独特缺陷结构的碳基电催化剂,研制了多种高效的氧还原和氧析出催化剂(J. Mater. Chem. A 2015, 3, 11736; Adv. Mater. 2016, 28, 8771; Adv. Mater. 2016, 38, 9532;Adv. Mater. 2017, 10.1002/adma.201700017; Adv. Mater. 2017, 10.1002/adma.201606793)。其中的一个应用就是锌-空气电池。杨东江教授以海藻提取物——海藻酸钠为原料,利用海藻酸-金属凝胶中独特的“蛋盒结构”为前驱体和导向剂, 提出了低成本、大规模合成高性能氧电催化剂的新方法,有效的控制了催化剂的孔结构及金属氧(氮)化物的尺寸大小和分布,实现了高效氧电催化剂的可控合成,制备了一系列可应用于锌-空气电池的高效氧电催化剂(Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 15925;Small, 2016, 12,1295;J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 14188;ACS Cent. Sci. 2015, 1, 261)。

在该综述中,首先介绍了锌-空气电池的原理和基本电化学反应,然后分别从两个方面介绍了氧电催化剂材料:(1) 用于锌-空气原电池的单功能氧还原催化剂;(2) 用于可充电锌-空气电池的双功能氧还原和氧析出催化剂。贵金属基材料(铂、铱、钌等)是最高效的氧催化剂,但是其昂贵和稀缺限制了其规模化应用,基于此,价格便宜的过渡金属以及碳材料引起了研究人员的关注和研究。对于金属基催化剂材料,一方面可以降低金属颗粒尺寸,从而增加活性位点,另一方面,可以改变金属颗粒的形貌、晶相、结构和化学状态,从而改变其催化活性。对于纯碳材料而言,多孔结构、杂原子掺杂和缺陷是影响其催化性能的非常重要的因素,文中特别指出并总结了高催化活性的碳缺陷的一些制备方法。最后展望了未来催化剂的研究方向以及需要进一步探索的问题。

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