Small Methods: 多级介孔碳上的缺陷基Co单原子:助力锌空气电池的高效氧还原反应

氧还原反应(ORR)是包括燃料电池,金属空气电池在内,多种能源转换反应中重要的半反应。其反应涉及多步质子耦合的电子转移过程,致使能量效率受限,因而成为该类新能源技术中的关键瓶颈。

目前,大量的研究工作集中在ORR催化剂的开发,各类制备工艺层出不穷。例如,金属原子分散催化剂相比传统催化剂,具有金属利用效率高的优势,可以大幅降低催化剂中贵金属的使用量(商用Pt/C催化剂中,Pt含量高达20%)。另一方面,由于有氧气与液态电解质参与反应,实际反应只能在气-固-液的三相界面处有效发生。因此,催化剂的开发不仅需要从材料科学角度对催化剂进行设计,也要关注界面化学和传质效率等,通过多尺度综合优化策略,方可实现ORR催化剂性能的最大幅度提高,及其在锌空气电池等新能源器件中的高效应用。

近期,沈阳理工大学吕逍教授课题组与澳大利亚格里菲斯大学贾毅博士合作,通过有序介孔碳材料(CMK-3)基底上的孔结构与缺陷调控,成功制备了一种多级孔缺陷碳负载单原子Co的高效ORR催化剂(A-Co@CMK-3-D)。ORR电催化性能测试表明A-Co@CMK-3-D的半波电位达到0.835 V vs RHE,几乎媲美于商业Pt/C催化剂(0.839 V vs RHE)。更重要的是,由于通过调控CMK-3-D载体的孔结构分布, A-Co@CMK-3-D中的活性位点得到了高效利用(增强了气-固-液三相界面处的传质效率),其质量比活性高出商业Pt/C催化剂近3倍。该催化剂在进一步的锌空气电池测试中也表现出了优异的充放电性能与循环稳定性。

综上所述,该项研究通过结合优化缺陷基活性位点与增强载体传质能力等多尺度综合优化设计方案,开发出一种高效ORR催化剂(A-Co@CMK-3-D)。由于这种ORR催化剂具有低成本高活性的特点,对进一步发展为燃料电池催化剂具有重要的借鉴意义。另外,这种合成策略也可以进一步推广至其他用于不同催化反应的金属原子催化剂的合成中。相关论文近期发表在Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.201800450)上。