过渡金属-碳复合物用于可充电锌空气电池氧气电催化

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研究背景

锌空气电池（ZAB）具有高的理论比能量（1084 Wh kg⁻¹）、环境友好、且锌资源丰富、氧气供应量无限，锌空气电池有可能成为能量转换和存储技术的理想选择。通常，关键的氧还原反应和氧析出反应相对迟缓，需要有效的催化剂在动力学上促进能量转化过程以实现ZABs的实际应用。过渡金属/碳复合催化剂在电催化方面显示出极好的潜力，它们已被开发成为经济高效且可扩展的氧气电催化剂，用于替代可充电ZAB中昂贵而稀缺的贵金属。

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成果简介

华中科技大学夏宝玉教授团队在EcoMat发表了题为“Transition metal/carbon hybrids for oxygen electrocatalysis in rechargeable zinc-air batteries”的综述性文章。本文中，作者总结了用于氧气电催化的过渡金属/碳复合物的最新成果。这些催化剂主要分为两类：由集成的金属/金属氧化物纳米颗粒和原子分散的过渡金属/碳基质。本文重点介绍了结构与性能之间的关系及其合成方法，同时全面讨论了在可充电ZAB中的应用。最后，作者提出了用于氧气电催化的过渡金属/碳复合物的观点，以应对可再充电ZAB的未来挑战。

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图文解析

Figure 1 Significant advantages related to zinc-air battery as sustainable energy conversion/storage device

Figure 2 Schematic of rechargeable Zn-air battery configuration

Figure 3 Schematic illustration of the pathway and gas-liquid-catalyst interface. Four steps represent: (1) Reactants diffusion; (2) Electron transfer; (3) Mass exchange; (4) Products release

Figure 4 Different coordinated configurations of atomic catalysts

Figure 5 (A) SEM image, (B) Free energy for ORR, (C) ORR LSV curve, and (D) discharge power density curves of SCoNC cathode catalyst. (D) TEM image, (E) ORR Tafel plots, and (F) discharge and power density curves of zinc-air batteries employing 3DOM Fe-N-C-900. (I) HAADF-STEM of Co-SAs/NSC, EXAFS curves of Fe-SAs/NSC (J), and Co-SAs/NSC (K) the inset are corresponding structures, (L) ORR LSV

Figure 6 (A) Aberration corrected HAADF-STEM image of bimetallic Zn/CoN-C, (B) limit current density and half-wave potential, p (C) power density and polarization curves of primary Zn-air batteries using Zn/CoN-C. (D) illustration of the inner Ni atoms and outer Fe atoms in the Janus type compounds, (E) overall polarization curves, and (F) discharge curves at current density of 5 mA cm⁻² of Ni-N₄/GHSs/Fe-N₄ driven Zn-air battery.

Figure 7 Illustration of different transition metal composites encapsulated in carbon architectures

Figure 8 (A) HRTEM images, (B) XRD patterns, (C) ORR, and (D) OER polarization curves of cobalt nanoparticle encapsulated within NCNTFs. (E) TEM, (F) HRTEM images of ZOMC, (G) High resolution N1s XPS, and (H) its charge/discharge polarization and corresponding power density curves. (I) SEM of GNCNTs-4, (J) Raman spectra, and (K) galvanostatic cycling at current density of 5 mA cm⁻² for Zn-air battery.

Figure 9 (A) HRTEM image of 1 nm-CoO_x layer, (B) ORR profiles, and (C) discharge polarization and specific power curves of various catalysts. (D) HRTEM image of FeP/Fe₂O₃@NPCA, (E) deconvoluted P 2p XPS spectrum, and (F) its polarization curves for catalytic bifunctional activity.

Figure 10 Perspectives on M-N-C catalysts for air electrode design in rechargeable Zn-air batteries

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结论与展望

本文中，作者总结了TM/碳复合催化剂在可充电ZAB中的最新研究成果，重点聚焦N掺杂的TM碳质化合物，它们被认为是最有前途的氧电催化剂。然而，关于金属中心在反应机制中的关键作用仍不清楚。另一方面，人们普遍认为原子分散的金属元素对于促进ORR和OER过程是必不可少的。这些TM复合物由于其从微观（可调谐电子结构）到宏观（可调节形貌和组分）的内在特征，在ZAB中具有良好的前景。作者还回顾和讨论了最近报道的先进M-N-C作为空气电极催化剂在ZAB中的应用。尽管在性能和稳定性方面取得了重要进展，但规模化生产的可持续合成路线仍然存在巨大挑战。合理设计和合成能够缓解氧电化学反应缓慢的先进M-N-C电催化剂，必将促进ZABs的发展和应用。

因此，未来的研究应着眼于以下几个方面来推动M-N-C催化剂在实用ZABs和其他能源技术中的应用。（1）通过控制表面能避免聚集来提高原子金属和杂原子的负载；（2）通过调控孔尺寸和形状优化碳基质结构，以暴露更多活性表面；（3）研究电化学行为的反应机理可以更好地理解纳米结构与电化学性能之间的关系，以及结构形貌与性能之间的关系；（4）发展各种先进的表征技术将有助于在原子水平上深入了解掺杂元素的配置和键合环境。此外，原位表征技术将有助于进一步了解氧电化学反应在可充电电池中进行时的结构和电子行为。

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文章信息

Abdoulkader Ibro Douka, Huan Yang, Lei Huang, Shahid Zaman, Ting Yue, Wei Guo, Bo You*, Bao Yu Xia*，Transition metal/carbon hybrids for oxygen electrocatalysis in rechargeable zinc-air batteries, EcoMat, 2021, 3: e12067

原文链接：https://doi.org/10.1002/eom2.12067