Small:锌-空气电池中高效的双功能电催化剂的结构设计策略和活性位调节机制

锌-空气电池既可以满足动力电池的高能量密度又可以满足消费型电池的柔性、安全性和便携性。但是目前受限于效率和稳定性的瓶颈,难以大规模普及和应用。ORR和OER是锌-空气电池正极的两个重要的氧化还原反应,这两个反应迟缓复杂的中间过程以及气-液-固三相反应界面的存在引起了较高的过电位,是限制锌空电池效率最主要的一个瓶颈。因此提高电池效率和稳定性的关键在于开发廉价、高效、适合大规模量产的ORR/OER双功能催化剂。

黑龙江大学王蕾教授、付宏刚教授与刘旭博士在Small上综述了用于锌空电池中的双功能(OER、ORR)电催化剂的进展。

图1. 双功能催化剂的结构设计策略和活性位调节机制

本篇综述首先介绍了ORR和OER反应机制,结合最新报道的原位表征技术从原子调节机制以及结构设计方面讨论了氧电催化剂的设计原则,深入认识催化剂的ORR/OER的过程机制。总结了突破锌-空气电池效率(65%)和稳定性瓶颈的新策略,概述了新型杂化锌-空气电池附加反应对能效、稳定性以及环境适应性的贡献,包括正极引入过渡金属的氧化还原电对儿以及电解质中添加改性剂改变OER反应途径。最后对目前锌-空气电池的挑战以及未来的研究方向进行了展望。

要点一:介绍ORR、OER反应机制以及锌-空气电池效率低的根源问题。

要点二:从结构设计和活性位优化的角度提出双功能催化剂的设计原则。

要点三:借助原位表征技术讨论催化剂的活性来源。

要点四:总结提高锌-空气电池稳定性和效率的新策略。

该工作发表在Small(DOI: 10.1002/smll.202006766)上。

第一作者:刘旭

通讯作者:王蕾*,付宏刚*

单位:黑龙江大学

通讯作者简介

王蕾教授:现为黑龙江省优秀青年基金、黑龙江省英才计划、中国博士后科学基金特别资助获得者。主要从事二维石墨烯基碳材料的合成及应用研究。发展了以生物质为原料的“基团配位组装析碳法”制备石墨烯材料的方法,并实现了生物质石墨烯材料的产业化生产及应用;制备了过渡金属碳基复合材料,探究其在金属-空气电池、燃料电池等能源器件中的应用,并利用理论计算结合原位技术阐明反应机制。在Angew. Chem. Int. Ed.Adv. Mater.Adv. Sci.Small等国际学术期刊发表研究论文50余篇,授权中国发明专利20余项,国际发明专利3项。主持国家自然科学基金及省部级项目10余项,获黑龙江省技术发明奖一等奖1项。

付宏刚教授:黑龙江大学功能无机材料化学教育部重点实验室主任。教育部长江学者奖励计划特聘教授,首批“国家万人计划”百千万工程领军人才,新世纪百千万人才工程国家级人选。英国皇家化学会会士,教育部科技委员会化学化工学部委员。2018-2020连续3年入选科睿唯安全球高被引科学家。主持及承担国家自然科学基金重点项目、科技部重点研发计划项目等国家级项目20余项。主要从事光催化和电催化领域的材料设计合成、结构调控,在材料尺寸,晶相,缺陷的选择性控制合成及其在光催化、电催化制氢,有机物合成以及ORR,OER等催化反应过程中的活性和稳定性,反应机制等方面开展工作。作为通讯作者在J. Am. Chem. Soc.Angew. Chem. Int. Ed.Adv. Mater.Chem. Soc. Rev.Energy. Environ. Sci.等期刊发表研究论文300余篇,被他人引用21000余次,H因子77,有50余篇论文进入ESI Top 1%高被引用论文,3篇论文进入ESI Top 0.1%热点论文。获省科学技术奖一等奖3项,获授权发明专利30余项。

论文信息:

Structural Design Strategy and Active Site Regulation of High-Efficient Bifunctional Oxygen Reaction Electrocatalysts for Zn–Air Battery

Xu Liu, Guangying Zhang, Lei Wang*, Honggang Fu*

Small

DOI: 10.1002/smll.202006766

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202006766