高性能电催化剂

有利于推动金属-空气二次电池的发展

●创新点

金属-空气二次电池因其拥有远高于锂离子电池的能量密度，成为研究的热点，并有望在能源转化与储存领域得到广泛应用。然而，由于空气电极的反应缓慢，金属-空气电池的发展受到了一定的限制。铂、铱、钌等贵金属仍被认为是最好的氧还原或者氧析出催化剂，但它们双功能活性较差且价格昂贵，制约了其在金属-空气电池的应用。因此，发展具有优异双功能活性、廉价的非贵金属催化剂便成为发展金属-空气电池的关键。加拿大滑铁卢大学应用纳米材料与清洁能源实验室的陈忠伟团队在金属-空气电池双功能催化剂研究方面取得重要进展。

●方法和结果

前期研究发现，金属氧化物和碳材料的复合物因为其组分之间存在协同作用，同时表现出了良好的氧还原和氧析出活性，被认为是替代贵金属催化剂的潜在对象。目前，提升复合型催化剂电化学性能的方法主要有两种：增加其活性位点数和提高其本征活性。前者的主要途径是增加材料的比表面积及多孔性，而后者可通过杂原子掺杂来实现。因此，对于复合催化剂进行合理的形貌设计以及结构调控，能有效地推动其在金属-空气电池中的应用。滑铁卢大学的研究人员首次提出了原位配位的合成方法，并成功制备了具有分级孔结构的双层空心球形（HP-DS）催化剂。纳米级的一次颗粒、空心结构和分级孔结构不仅有效增加了活性位点数，还极大地促进了催化过程中反应物和产物的传递扩散。在此基础上，研究人员还提出了一种调控金属氧化物的本征活性的新思路，即通过定量掺杂镁离子改变其晶格碱度，降低活性位点周围的氢氧根浓度，从而优化其氧还原性能。镁离子的掺入还有效提升了催化剂的导电性，使其氧析出活性也得到了提高。制备得到的催化剂不仅在电催化测试中体现出了优异的双功能活性，还在组装成锌-空气电池后，表现出较小的充放电电位差和稳定的可充放循环性能。

应用前景

该研究从形貌设计和本征活性优化两方面入手，首次提出了原位配位的合成方法和调控晶格碱度的优化策略，为高性能电催化剂设计提供了新思路，进一步促进了锌-空气电池的实际应用。

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.