尺寸不對稱偶聯策略助力可逆氧電催化

　　安徽理工大學材料科學與工程學院教授張雷團隊在電催化材料的設計合成與性能調控領域取得重要進展，提出了一種簡單的“化學蝕刻/原位捕獲”合成策略，制備了具有尺寸不對稱Co單原子和金屬Co納米粒子組成的獨特雙殼層碳基納米盒，并證明這種材料可以適用于可充電鋅空氣電池的空氣陰極。相關研究成果近日發表于《化學工程雜志》。

　　電池技術因其高效率、便攜性和完美適應各種能源需求的靈活性而備受關注。在所有電池系統中，可充電鋅空氣電池因其成本低、易生產和高的理論能量密度等優點而受到了儲能技術的青睞。此外，可充電的特性使其比傳統干電池更環保。

　　“近年來，可充電鋅空氣電池在放電/充電過程中引入氧還原反應(ORR)和析氧反應(OER)而出現并經歷了快速發展。但在大規模應用之前，仍有一些技術問題需要解決。一方面，可充電鋅空氣電池的效率和功率密度受到氧還原反應和析氧反應動力學遲緩的嚴重限制；另一方面，鋅空氣電池的長期循環性目前還不到商用鋰離子電池的四分之一，這進一步限制了其實際應用。”張雷向《中國科學報》介紹，基于上述考慮，開發高效的催化劑作為雙功能ORR/OER空氣電極對于可充電鋅空氣電池的發展具有重要意義。

　　以中國會意漢字“尖”來指導新型催化劑設計再合適不過了。一頭小一頭大為尖，有出類拔萃的含義。“小”指的是單原子，而對應“大”指的就是納米粒子。在一些文獻報道中，“小”被認為是反應的活性位點，并比“大”表現出更優異的催化性能。然而，在另外一些文獻中卻持有相反的觀點。之所以給人這樣看似矛盾的結論，主要還是不同的載體，不同的金屬，不同的反應，導致了單原子催化劑和納米顆粒催化劑活性表現不一。“大”＋“小”結合起來負載在合適的載體上就能有突出的性能。

　　“具體到此次研究中就是，尺寸小的Co單原子和大尺寸的金屬Co納米顆粒負載在碳基雙殼層納米盒中，并非是單原子或者納米顆粒單獨起作用，而是它們之間的協同效應實現了催化性能的提高。”張雷說。

　　此次研究中，張雷等開發了一種新的活性調控方法，通過“化學蝕刻/原位捕獲”合成策略，制備了負載有尺寸不對稱的Co單原子和金屬Co納米粒子的雙殼碳基納米盒。該催化劑可利用其獨特的雙殼層結構，增大其反應面積，加快催化過程中的傳質和傳荷，并實現催化活性的大幅度提高。更為重要的是，金屬單原子和納米粒子之間的強化學耦合，可優化電催化過程中反應中間體的吸附/脫附能壘，因此提升了可逆氧電催化活性。張雷說：“這項研究可為下一代可逆能源轉化系統中多功能電催化劑的設計和發展提供新的思路。”