用于锌-空气电池的金属有机框架(MOFs)衍生物氧催化剂的新进展

兼具高功率密度、高能量密度、高可逆性以及高稳定性的电池一直是电化学储能系统开发的重要目标。相比商业化金属离子电池,基于空气(氧气)电极的金属-空气电池具有更高的能量密度,因此受到越来越多的关注。由于锌金属优秀的能量密度、丰富的资源以及低廉的价格,锌-空气电池具有非常高的研究价值和应用前景。此外,锌金属较高的还原电位也使锌-空气电池能在水溶液体系中稳定工作,这也降低了电池的制造成本。锌-空气电池反应的核心是其空气电极上的氧还原(ORR)和氧析出(OER)过程。然而,这些电化学过程在无催化剂促进的条件下呈现出较高的过电势。因此开发高效稳定且选择性好的氧催化剂是近年可充电锌-空气电池的研究热点之一。贵金属及其化合物催化剂(如Pt、IrO2)虽然具有较高的催化活性,但价格高昂。多种类型的非贵金属催化剂(如非贵金属过渡金属化合物、杂原子掺杂碳材料及金属化合物-碳复合物)得以被开发,并成功应用于锌-空气电池。金属有机框架(MOFs)具有原子级别均匀分布的金属位点及极高的孔隙率,经过高温碳化处理后得到的MOF衍生物在继承了这些特性外还具备较高的电子电导率。经过了近年来的开发和研究,用于锌-空气电池空气电极的MOF衍生物氧催化剂材料受到了越来越高关注。但目前为止还没有专门针对这类工作的系统性评述。

对此,澳大利亚科廷大学和南京工业大学邵宗平教授课题组博士生钟逸骏、博士生许晓敏、博士后王纬在Batteries & Supercaps上发表了题为“Recent Advances in Metal‐Organic Framework Derivatives as Oxygen Catalysts for Zinc‐Air Batteries”的综述。在该综述中,作者首先简要介绍了锌-空气电池的工作原理及空气电极上的ORR和OER机制。基于锌空气电池催化剂材料设计中最重要的四个特性参数(氧还原活性、氧析出活性、电子电导率、孔隙率),对三类金属有机框架(MOFs)衍生物氧催化剂(无金属碳材料、金属-氮-碳复合材料、碳基金属化合物复合材料)进行了系统的评述。并系统汇总了针对这些MOF衍生催化剂优、缺点而采用的各类材料优化手段。最后在1. 提高催化剂的ORR选择性和氧扩散,2. 开发直接使用的MOF氧催化剂,3. 提高大电流密度性能和4. 开发用于固态电解质的刚性及柔性锌空气电池的催化剂四个方面,对用于锌空气电池的金属有机框架相关材料开发进行了展望。

相关综述在线发表在Batteries & Supercaps(DOI: 10.1002/batt.201800093)上。

邵宗平教授课题组近年来在金属-空气电池(Adv. Mater. 2018, 30, 1705711; Small 2018, 14, 1800225; Small 2018, 14, 1801798; ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 36873; Energy Environ. Sci. 2017, 10, 2056; Prog. Energy Combust. Sci. 2017, 62, 155; Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1602674)及MOFs相关材料(Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1701229, ACS Catal. 2017, 7, 3540; Adv. Sci. 2017, 4, 1600371; Polyhedron 2018, 155, 464)展开了一系列原创性和评述性工作。此外在电催化ORR、OER以及电催化分解水领域开发了多种高效催化剂材料(Nat. Commun. 2108, 9, 2326; Adv. Mater. 2018, 30, 1804333; Sci. Adv. 2017, 3, e1603206; Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1602122; Adv. Sci. 2016, 3, 1500187; Adv. Sci. 2016, 3, 1600060; Chem. Mater. 2016, 28, 1691; Adv. Mater. 2015, 27, 7150; Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 3897)。

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