破解氨气合成难题：济南大学探索锌基NOx电池的新前景

第一作者：郁万强

通讯作者：周伟家*，王金刚*

单位：济南大学

氨（NH₃）作为一种高能量密度和无碳排放的能源，是解决能源危机和环境污染的理想能源。与高能耗和高污染的Haber-Bosch工艺相比，通过电化学还原反应将有毒的一氧化氮（NO）、亚硝酸盐（NO₂^-）、硝酸盐（NO₃^-）等转化为NH₃的电催化技术显示出巨大的发展潜力。在氮氧化物还原电催化剂不断发展的推动下，近年来，基于氮氧化物还原的锌基催化电池（Zn-NOx电池）受到了广泛关注。与传统的锌基催化电池（如锌-空气电池）相比，Zn-NOx电池可以同时实现氮氧化物污染物降解、氨合成和电能输出。然而，尽管近年来对Zn-NOx电池的研究取得了一定进展，其性能依然难以满足实际应用的需求。目前，Zn-NOx电池的发展主要受阴极催化材料等因素的限制。因此，深入了解Zn-NOx电池并提出改进方案，对于实现高性能Zn-NOx的电池具有重要的指导意义

近日，来自济南大学的周伟家教授与王金刚教授合作，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Current State and Future Prospects of Environmentally Catalytic Zn-NOx Batteries”的综述文章。该文章总结了Zn-NOx电池的最新进展，包括各种类型的锌-硝酸电池（Zn-NO₃^-电池）、锌-一氧化氮电池（Zn-NO电池）和锌-亚硝酸盐电池（Zn-NO₂^-电池）。本研究探讨了这些电池的电极反应和结构演变，强调了阴极反应带来的不同挑战，介绍和评价了阴极材料的先进设计策略，这些策略显著提高了阴极NOx的还原性能，推动了Zn-NOx电池的重大发展。展望了未来的研究方向，强调了研发更高效的NOx还原催化剂、优化Zn阳极、开发替代金属阳极、改进电池结构以及探索充电反应的必要性。解决这些挑战对于推进环境友好的、高能量密度的Zn-NOx电池的发展至关重要。

文章总结了Zn-NOx电池的电极反应，电解液，电极材料以及隔膜等关键组件的发展，重点分析这些因素对电池性能的影响机制。这些机制导致了Zn-NOx电池的性能变化，深入理解这些影响机制对于推动该技术的进一步发展至关重要。

通过对限制NOx电催化还原合成氨性能的因素的分析，文章总结并提出了应对这些挑战的催化剂策略，以提高其电催化性能，包括反应物富集，增强反应物及中间体吸附，抑制析氢反应等，该部分为高效Zn-NOx电池的开发提供了先进的阴极材料。

（2）Zn-NOx电池的电池性能已经取得了显著提升，从最初的0.87 mW cm⁻²提高到最近报道的91.4 mW cm⁻²。然而，该性能仍然不能满足实际电器的供电要求。除阴极材料外，电解质、膜、电池结构等因素对电池性能也有显著影响。这些因素对Zn-NOx电池性能的影响尚缺乏系统的研究。

（3）目前的研究尚未明确Zn-NOx电池充电过程中阴极处发生的反应。可能的反应包括OER、AOR和NOx氧化反应。充电过程中涉及的主要反应可能取决于催化剂的选择性。了解充电过程中的反应机理对开发高性能可充电Zn-NOx电池至关重要。

（4）基于电化学还原NOx的环境催化电池的阳极主要由Zn组成。然而，使用铝作为阳极，特别是在碱性条件下，可以提供更高的反应活性和更强的放电能力。因此，铝基阳极可能成为该领域下一个研究热点。其他金属阳极同样值得探索。

Current State and Future Prospects of Environmentally Catalytic Zn-NOx Batteries

周伟家，济南大学前沿交叉科学研究院教授，博士生导师，学术带头人。主要从事能源催化和功能器件相关研究，在氢能源、二氧化碳资源化和催化电池等方面取得一系列研究成果，以第一或通讯作者在Nat. Commun., Energy Environ. Sci., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等期刊发表SCI收录论文120余篇，被引15000余次，H因子65，中国百篇最具影响力国际学术论文1篇，ESI高被引用论文14篇；中国化学快报、物理化学学报、BMEMat、SusMat期刊的青年编委和Interdiscip. Mater.学术编辑；以第一发明人授权发明专利21项。主持国家优秀青年基金，国家重点研发计划课题，山东省杰出青年基金，山东省泰山学者特聘专家计划，山东省重点研发计划等国家省部级项目16项。获得山东省青年科技奖（2022），山东省自然科学一等奖（3/5，2019），中国颗粒学会自然科学二等奖（1/5，2022）和山东化学化工学会科学技术二等奖（1/9，2023）。