基于可逆电化学氧还原和氧析出(ORR/OER) 的可充电锌空气电池由于其兼具高能量密度（1350 Wh kg-1）和可靠的安全性，在可再生能源存储和新能源汽车动力系统中具有广阔的应用前景。然而，电化学反应过程中多电子转移引起的迟滞动力学现已成为严重阻碍电池能量效率提高的核心问题。因此，亟需设计高效和稳定的双功能电催化剂。近年来，通过调整材料的物理化学性质作为催化剂的改性策略取得了一系列突破。研究表明，将合适的应变工程引入非均相催化体系以调节纳米材料的原子排列和晶格间距，有利于获得更好的催化活性、选择性和稳定性。如何通过构筑应变工程实现高效持久的催化活性是目前开发催化剂面临的主要挑战。
基于上述问题，中国科学院上海硅酸盐研究所张涛研究员团队，通过Ru配位触发ZnIn2S4（ZIS）局部晶格应变，揭示了晶格应变工程和催化活性之间的构效关系。该成果以“Ru Coordinated ZnIn2S4 Triggers Local Lattice-Strain Engineering to Endow High-Efficiency Electrocatalyst for Advanced Zn-Air Batteries”为题发表在Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.202110572）。论文第一作者为上海硅酸盐所在读博士生候志前，通讯作者为张涛研究员。
密度泛函理论
图1. 密度泛函理论计算及反应机理
密度泛函理论
图2. R0.1ZIS、N0.1ZIS和ZIS经过IFFT和GPA处理后的解析图
密度泛函理论
图3. 负载R0.1ZIS催化剂的锌空气电池性能测试 该研究首先通过密度泛函理论计算预测了掺杂剂Ru和Ni在ZIS中的取代位点，根据形成能的大小，最终确定Ru优先取代四配位In，Ni优先取代六配位Zn。此外，局部晶格应变导致更多的电子占据Ru反键轨道，形成更窄的带隙，降低了*OH去质子化的迁移能垒，从而优化了含氧中间体的吸附/解吸能力。
研究团队采用快速逆傅里叶变换（IFFT） 和几何相变分析（GPA）技术进一步研究了Ru和Ni带来的应变效应。定量计算结果表明，与原始的ZIS相比，Ru和Ni的引入改变了原子间的键长，在晶体内部分别产生了0.43%和0.3%的压缩应变。根据d-带中心理论，原子间距离的减小使d-带中心转移到更高的能级，从而加强了催化剂表面与吸附物种之间的相互作用。当用作锌空气电池正极催化剂时，测试结果表明，负载了Ru掺杂ZIS（R0.1ZIS）的锌空气电池表现出接近理论电位的超高开路电压(1.587 V)，并且在运行262 h后仍然保持了0.71 V的超低过电位。
该项工作阐明了晶格应变与电催化活性之间的构效关系，同时为具备高容量、长耐久性和低过电位的锌空气电池高效正极催化剂的发展提供了新的思路。
相关研究工作得到了上海市科委和国家自然科学基金等项目的资助和支持。
文章链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202110572
文章来源：上海硅酸盐所
张涛，研究员，中国科学院上海硅酸盐研究所博士生导师，中国科学院“百人计划”入选者。2007年毕业于复旦大学化学系物理化学专业，师从吴浩青院士，获得理学博士学位。毕业后在上海大学理学院任讲师。2008年开始先后在日本国立三重大学和日本国立产业技术综合研究所从事高比能电池材料和器件的研究。2015年加入中国科学院上海硅酸盐研究所，入选中国科学院“引进海外杰出人才”百人计划，并作为核心人员承担国防基础科研重点项目开发长续航高比能特种电源。2016年入选第六批上海“##计划”。至今在化学储能材料及器件领域发表SCI论文60余篇，被引用2700余次，其中被他引次数超过2500次（h-index=34，所有被引次数源自Web of Science核心合集）。论文发表的期刊包括Nature Communications（2篇），Angew. Chem. Int. Ed.（1篇），Energy & Environmental Science（5篇），Advanced Energy Materials（2篇），Nano Letters（1篇），ChemSusChem（2篇），Chemical Communications（1篇），Journal of Materials Chemistry（1篇），Journal of Power Sources（17篇），Journal of the Electrochemical Society（4篇）等。已获授权中国发明专利5项，获授权日本发明专利1项。担任国际电化学能源科学院Board Committee Member，多次受邀在IUPAC国际新材料大会、亚太材料学会、日德纳米材料学术论坛和全国固态离子学会议上作邀请报告，是Energy & Environmental Science，Angew. Chem. Int. Ed.，ChemSusChem，Nano Energy，Journal of Materials Chemistry A，Journal of Electrochemical Society等学术期刊审稿人。
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发表于 2022-2-28 09:19:56
