新型双功能复合催化剂用于高能量可充电锌空气电池

锌空气电池的理论能量密度高（1218 W h•kg^-1）、电极材料来源低廉、电池安全性高，在大规模可再生资源能源储存、电动汽车以及下一代消费类电子产品（如通信和医疗保健的柔性设备）领域中具有巨大的应用潜力。然而，目前缺乏有效催化氧还原反应和析氧反应的双功能催化剂，大大限制了可充电锌空气电池的实际应用。

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教授（点击查看介绍）团队多年来致力于可充电锌空气电池的材料和系统研究。近期，他们报道了一种新颖的双功能复合电催化剂改性的方法，能够同时提高催化剂的本征活性、稳定性和催化剂载体的传质特性。研究人员通过该方法制备出硫氧化钴纳米颗粒修饰的石墨烯网复合催化剂，该催化剂富含催化活性“缺陷”，可使锌空气电池具有更高的能量密度、功率密度、能量效率以及循环寿命。这一成果发表在Advanced Materials 上，论文的第一作者是滑铁卢大学化学工程系的博士研究生傅婧。

图1展示了该复合催化剂的合成路径。研究人员首先通过低温溶剂热反应合成无定型的硫氧化钴纳米颗粒修饰的石墨烯前驱体，然后进一步利用700 ℃的氨气处理将由硫化钴核心和氧壳组成的前体核-壳纳米颗粒转化为单固相富含氧空位的硫氧化钴纳米颗粒。与此同时，石墨烯也转化为多孔氮掺杂的石墨烯纳米网。与传统的无孔石墨烯相比，氮掺杂的石墨烯纳米网通过钴和氮之间的共价键提供与纳米颗粒的紧密接触，并为涉及氧还原反应和析氧反应的反应物和中间体提供更短的扩散通道。该催化剂在水中具有高度的分散性，过滤后可以得到独立的催化剂膜，并直接用于锌空气电池（图2）。通过电化学测试，这种新型的催化剂表现出优异的电催化活性以及稳定的循环性能，表现甚至优于商品化的Pt/C和Ir/C等贵金属催化剂。组装的锌空气电池可达到857.9 Wh•kg^-1的能量密度和大于61%的能量效率。

图1. 催化剂的合成机理图

图2.（a）直接过滤后的催化剂膜；（b）（c）石墨烯纳米网载体和传统无孔石墨烯载体对催化反应传质的不同作用

该工作为开发复合双功能电催化剂提供了新的设计思路，同时推动了锌空气电池在各储能领域的实际应用。

该论文作者为：Jing Fu, Fathy Hassan, Cheng Zhong, Jun Lu, Han Liu, Aiping Yu, Zhongwei Chen

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Defect Engineering of Chalcogen-Tailored Oxygen Electrocatalysts for Rechargeable Quasi-Solid-State Zinc–Air Batteries

Adv. Mater., 2017, 29, 1702526, DOI: 10.1002/adma.201702526

文章视频链接：

http://www.advancedsciencenews.com/defect-engineering-efficient-bifunctional-oxygen-electrocatalyst/

陈忠伟教授简介

陈忠伟博士，加拿大滑铁卢大学化学工程系教授、加拿大先进能源材料研究主席、加拿大工程院院士、加拿大皇家科学院青年院士，带领一支约50人的研究团队多年来致力于燃料电池、高能硅基锂离子电池、硅硫锂电池、锌空储能电池以及超级电容器的低成本纳米材料的开发与创新；近年来在国际知名期刊发表论文130余篇，其中包括Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials、Energy & Environmental Science、Nano Letters、ACS Nano。目前为止，其文章已引用次数超过10,000次，单篇最高引用超过500次，11篇论文引用次数超过100次，H-index指数高达43。

http://www.x-mol.com/university/faculty/46722