孙书会/张改霞/童汇 Nano Energy：氧空位缺陷调控二维层状CoO纳米片用于高效、长寿命可充式锌空气电池- 大数跨境

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孙书会/张改霞/童汇 Nano Energy：氧空位缺陷调控二维层状CoO纳米片用于高效、长寿命可充式锌空气电池

科学材料站

2020-10-01

导读：该工作表明巧妙的选择二维层状Co(OH)2作为前驱体材料，通过简单的低温热解策略可以实现丰富氧空位缺陷的构造。该材料在碱性条件下表现出优异的ORR和OER双功能催化性能，并在可充式锌空气液流电池上面表

文章信息

氧空位缺陷调控二维层状CoO纳米片用于高效、长寿命可充式锌空气电池

第一作者：武明杰

通讯作者：张改霞*，童汇*，孙书会*

单位：加拿大国立科学研究院，中南大学

研究背景

可充式锌空气电池因其高能量密度、高安全性、环境友好和低成本等优点，有望成为新一代储能器件。可充式锌空气电池的实际应用需要低成本、高效且稳定的氧还原反应（ORR）和氧析出（OER）双功能催化剂。大量研究表明过渡金属氧化物材料表现出高效的双功能催化活性。

为了提高过渡金属氧化物的催化活性，通过氧空位缺陷调控金属氧化物的电子结构，从而优化反应中间体的吸附能，被认为是提高金属氧化物催化活性的一种有效途径。为了获得丰富的氧缺陷位点，文献中通常会采用NaBH4刻蚀，等离子处理等方法，这些方法一方面工艺复杂，另外，在处理过程中会对材料的结构造成一定的破坏。

因此，开发一种简单高效的方法构建富含氧空位的金属氧化物作为高活性、高稳定性的双功能催化剂用于锌空气电池依然面临挑战。

文章简介

近日，来自加拿大国立科学研究院的孙书会教授、张改霞博士团队与中南大学的童汇教授合作，在国际著名期刊Nano Energy（影响因子：16.602）上发表题为“Cobalt (II) oxide nanosheets with rich oxygen vacancies as highly efficient bifunctional catalysts for ultra-stable rechargeable Zn-air flow battery”的文章。

作者利用电沉积方法在不同的基底上面（不锈钢网和碳布）生长层状Co(OH)2 纳米片，将其作为前驱体通过一步低温热解的方法原位转化为层状CoO 纳米片。

该工作思路是利用二维材料的长程无序、比表面积大、活性位点暴露多的的特性，成功实现大量氧空位缺陷位点的构筑。并且惰性气体条件下低温热解方法在构建丰富氧空位缺陷的同时，又可以很好的保护其层状结构不被破坏。

该工作表明巧妙的选择二维层状Co(OH)2作为前驱体材料，通过简单的低温热解策略可以实现丰富氧空位缺陷的构造。该材料在碱性条件下表现出优异的ORR和OER双功能催化性能，并在可充式锌空气液流电池上面表现出超长的循环寿命（超过1100小时或者循环）和充放电效率。

图1. 富含氧空位缺陷层状CoO材料的制备过程。

本文要点

要点一：本文通过低温热解还原二维层状Co(OH)2纳米片获得富含丰富氧空位缺陷的二维CoO纳米片，并通过结合TEM, XPS和同步辐射表征手段，详细揭示了在低温条件下即可获得高密度的氧空位缺陷位点，同时不破坏其超博纳米片的层状结构。

图2. 富含氧空位CoO材料的物理表征。

要点二：由于其独特的层状结构，能够提供丰富的活性位点。相比于商业CoO材料，其在碱性条件下ORR和OER活性得到了大幅度的提高。在可充式锌空气液流电池中，连续循环1100次（1100小时）性能没有明显衰减。大大提高了锌空气电池的充放电效率和循环稳定性。

图3. 氧空位缺陷和电化学性能表征。

要点三：为了追踪材料在实际充放电过程中原子结构演变，我们设计了一种原位电化学池。通过对电极充放电循环前后的同步辐射表征分析，我们发现该层状CoO材料可以很好地抵抗充电过程中的氧化，具有非常高的结构稳定性。经过5次充放电循环后，Co的化合价只是小幅度增加。根据文献报道，我们将其归因于表面金属的氢氧化，形成了Co2+/3+Ox(OH)y OER活性物种。

图4. 锌空气电池性能和材料结构稳定性的原位表征。

文章链接

Cobalt (II) oxide nanosheets with rich oxygen vacancies as highly efficient bifunctional catalysts for ultra-stable rechargeable Zn-air flow battery

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285520309861

第一作者介绍

武明杰, 加拿大国立科学研究院孙书会教授课题组博士研究生，

主要研究方向是纳米能源材料用于能源储存和转化，重点从事金属空气电池、燃料电池、全解水、Zn-CO2电池的研究和应用。迄今已发表28篇SCI科学论文，被引用次数超过550次，H因子=12，其中一作文章包括Advanced Energy Materials, Nano Energy（2），Energy Storage Materials（2），Green Chemistry, Journal of Catalysis，Applied Energy，Carbon Energy等高水平杂志。

导师简介

孙书会，教授，博士生导师，加拿大国立科学研究院-能源材料与通讯研究所教授，

加拿大皇家科学院青年院士; 现任国际电化学能源科学院(IAOEES)副总裁、Springer-Nature 旗下期刊Electrochemical Energy Review（即时影响因子已超过23）执行主编。孙书会教授的主要研究方向是功能纳米材料在能源转化和存储中的应用，重点从事燃料电池（低铂和非贵金属催化剂，膜电极），金属-空气电池，金属离子电池，和水解制氢的研究与应用。

近年来在Nature Communications, Energy Environ. Sci., Advanced Materials, J. Am. Chem. Soc., Advanced Energy Materials, Angew. Chem., Nano Energy等国际知名期刊发表SCI论文200余篇，被引用超过12000次，H-index 指数57，编辑了三本科学著作和发表了15篇科学著作章节。孙教授与工业界建立了广泛合作，包括加拿大巴拉德电源系统公司、美国通用汽车公司、日本丰田汽车公司等。

课题组介绍

课题组网站：

https://inrs.ca/en/research/professors/shuhui-sun/

课题组招聘

孙教授课题组常年招收博士研究生和博士后研究人员。