近日，昆明理工大學化學工程學院李金成副教授和梅毅教授聯(lián)合多家國內外單位，在能源領域頂級期刊《Energy & Environmental Science》上發(fā)表了題為“Thermal Evaporating-Trapping Strategy to Synthesize Flexible and Robust Oxygen Electrocatalysts for Rechargeable Zinc-Air Batteries”的研究論文。
鋅空氣電池具有價格低廉、安全性能好和能量密度高等優(yōu)勢，被認為是極具發(fā)展前景的新一代儲能器件。ZABs性能主要受限于其空氣電極上動力學緩慢的氧還原反應（ORR）與氧析出反應（OER）及其反應物/產物的擴散路徑與電子傳輸效率。因此，研發(fā)低成本且高性能的多功能空氣電極應用于鋅空電池，備受科研工作者的關注。
在碳基底上錨定催化活性物質是研發(fā)空氣電極催化劑最有效的方法。其中，碳載單原子Fe/Co-NX團簇是一類最高效的非貴金屬ORR催化劑，但其OER催化活性較低；碳載鐵族雙金屬（CoFe，NiFe與NiCo）納米顆粒是一類超高性能的非貴金屬OER催化劑，但其ORR活性較低。因此，將單原子Fe/Co-NX團簇與雙金屬納米顆粒錨定在同一碳基底上，有望實現(xiàn)超高催化性能的雙功能ORR/OER催化劑。柔性的碳纖維布作為一種典型的碳材料，具有高的比表面積、優(yōu)異的導電性能及可修飾性能，可實現(xiàn)反應物/產物快速擴散及電子的快速轉移，在電化學儲能領域展現(xiàn)出巨大的應用前景。
基于此，本工作創(chuàng)新性地提出一種熱驅動金屬原子遷移-捕獲策略，在柔性N摻雜碳纖維布基底上錨定單原子Fe/Co-NX團簇與CoFe納米顆粒，獲得ORR/OER催化活性高、反應物/產物及電子輸運快的多功能空氣電極。該策略的原理在于：（1）在高溫條件下，錨定在N摻雜碳纖維布基底上的雙金屬氧化物（CoFeOx）納米顆粒會使其中的金屬-氧化學鍵斷裂而溢出金屬原子；（2）由于金屬原子的溢出，故而CoFe納米顆粒尺寸變小，電催化OER性能增強；（3）溢出的金屬原子在隨后的遷移過程中將會被氮摻雜碳基底所捕獲，形成大量單原子Co/Fe-NX團簇活性位點，從而提升ORR催化性能。因此，所得催化材料表現(xiàn)出優(yōu)異的雙功能氧催化活性（ΔE=0.542 V）。直接將所得一體化催化劑組裝成液態(tài)和柔性固態(tài)鋅空電池，分別獲得了高達237.4 mW cm-2和141.1 mW cm-2的峰值功率密度，并在經過2300次循環(huán)充放電測試后電池性能基本無衰減。此外，利用原位變溫XPS測試并結合球差校正TEM、同步光源XAS等表征技術，揭示了催化劑的合成機制。采用原位Raman光譜測試及DFT理論計算闡述了催化劑的催化機理。
催化劑的制備流程及結構表征
論文的第一作者為我院2020級碩士研究生張洪博，通訊作者為我院李金成副教授、材料科學與工程學院榮菊副教授、香港科技大學邵敏華教授和中國科學院金屬研究所劉暢研究員。該研究工作得到了國家自然科學基金（52102046和52372049）、云南省優(yōu)青（202301AW070016）、昆明理工大學啟動基金及云南省磷化工節(jié)能與新材料重點實驗室的資助。
論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ee/d4ee03005b
