高性能電催化劑

有利于推動金屬-空氣二次電池的發展

●創新點

金屬-空氣二次電池因其擁有遠高于鋰離子電池的能量密度，成為研究的熱點，并有望在能源轉化與儲存領域得到廣泛應用。然而，由于空氣電極的反應緩慢，金屬-空氣電池的發展受到了一定的限制。鉑、銥、釕等貴金屬仍被認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-空氣電池的應用。因此，發展具有優異雙功能活性、廉價的非貴金屬催化劑便成為發展金屬-空氣電池的關鍵。加拿大滑鐵盧大學應用納米材料與清潔能源實驗室的陳忠偉團隊在金屬-空氣電池雙功能催化劑研究方面取得重要進展。

●方法和結果

前期研究發現，金屬氧化物和碳材料的復合物因為其組分之間存在協同作用，同時表現出了良好的氧還原和氧析出活性，被認為是替代貴金屬催化劑的潛在對象。目前，提升復合型催化劑電化學性能的方法主要有兩種：增加其活性位點數和提高其本征活性。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現。因此，對于復合催化劑進行合理的形貌設計以及結構調控，能有效地推動其在金屬-空氣電池中的應用。滑鐵盧大學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構的雙層空心球形（HP-DS）催化劑。納米級的一次顆粒、空心結構和分級孔結構不僅有效增加了活性位點數，還極大地促進了催化過程中反應物和產物的傳遞擴散。在此基礎上，研究人員還提出了一種調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，降低活性位點周圍的氫氧根濃度，從而優化其氧還原性能。鎂離子的摻入還有效提升了催化劑的導電性，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出了優異的雙功能活性，還在組裝成鋅-空氣電池后，表現出較小的充放電電位差和穩定的可充放循環性能。

應用前景

該研究從形貌設計和本征活性優化兩方面入手，首次提出了原位配位的合成方法和調控晶格堿度的優化策略，為高性能電催化劑設計提供了新思路，進一步促進了鋅-空氣電池的實際應用。

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.