王焕磊教授课题组在锌空电池研究方面取得系列进展

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近期，中国海洋大学材料科学与工程学院王焕磊教授课题组在双功能碳基锌空电池催化剂研究方面取得系列进展。相关成果“Oxygen Engineering Enables N-doped Porous Carbon Nanofibers as Oxygen Reduction/Evolution Reaction Electrocatalysts for Flexible Zinc-Air Batteries”(氧工程调控N掺杂多孔碳纳米纤维作为柔性锌-空气电池ORR/OER催化剂)和“Bifunctional Electrocatalyst with CoN3 Active Sties Dispersed on N-doped Graphitic Carbon Nanosheets for Ultrastable Zn-Air Batteries”(氮掺杂石墨化碳片上分散CoN3活性位点作为双功能催化剂应用于超稳定锌空电池)分别在ACS Catalysis和Applied Catalysis B: Environmental等国际顶尖期刊上发表。
　　在全球碳中和的大背景下，发展清洁、可再生能源的电化学储能技术迫在眉睫。由于超高的理论能量密度、环境友好及低成本等优势，锌空电池被认为是极具潜力的能量储存和转换设备。然而发生在锌空电池空气电极上的氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)存在电子转移动力学缓慢和过电势较大等问题阻碍了锌空电池的商业化应用。因此开发具有高ORR和OER活性的高效电化学催化剂在锌空电池的发展过程中至关重要。
　　针对上述问题，王焕磊教授课题组与青岛科技大学合作开发出N，O共掺杂多孔碳纳米纤维双功能催化剂。在制备过程中以β-环糊精为自牺牲模板和氧调节剂，β-环糊精的引入极大的提高了碳纳米纤维的比表面积和孔体积，而且引入了大量的羧基。羧基的引入可以有效地诱导氮掺杂碳基体的电荷再分布，从而优化反应中间体(*OOH)的吸附能，降低了反应势垒。该工作提出了羧基官能团在ORR/OER催化过程中的关键作用，为设计先进的ORR/OER催化剂提供了重要见解(ACS Catal. 2022, 12, 7, 4002–4015)。此外，该课题组联合加拿大阿尔伯塔大学等单位通过金属盐辅助方式制备了CoN3单原子分散在N掺杂石墨碳纳米片上的ORR/OER双功能催化剂(图1)。在制备过程中通过充分利用金属盐的多重协同作用机制制备了具有多种活性位点（原子分散的CoN3和丰富的氮掺杂物种）、大的石墨层间距、高比表面积、纳米多孔结构和高石墨化程度的碳基催化剂，该催化剂组装的锌空电池在经过6000次(2000小时)充放电循环后仍能稳定运行。该工作同时实现了单原子生成和二维结构构筑，为构筑低成本高效稳定的原子级锌空电池催化剂提供了新思路（Applied Catalysis B: Environmental，2022，DOI: 10.1016/j.apcatb.2022.121674）。

图1　金属盐辅助法合成单原子催化剂示意图

　　上述系列工作得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金项目和中央高校基本科研业务费等项目的支持，与加拿大阿尔伯塔大学和青岛科技大学等单位合作完成，中国海洋大学研究生为第一作者，中国海洋大学为第一通讯者单位。


        文章来源：中国海洋大学
        王焕磊，男，博士学位，加拿大纳米技术国家实验室博士后，现任中国海洋大学材料科学与工程研究院教授。长期担任Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Adv. Funct. Mater., NanoEnergy, Mater. Horiz., Chem. Mater., Carbon, Sci. Rep.等国际知名期刊审稿人。