孙书会教授、张改霞博士：一石二鸟：异质结为ORR/OER活性和稳定性保驾护航，实现锌-空气液流电池超长寿命- 大数跨境

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孙书会教授、张改霞博士：一石二鸟：异质结为ORR/OER活性和稳定性保驾护航，实现锌-空气液流电池超长寿命

科学材料站

2021-03-30

导读：该工作思路是利用Co/Co2P异质结催化生长碳纳米管过程中调控氮活性位点的结构和组成，同时实现高度有序、高石墨化程度的碳纳米管材料。其中石墨化氮大大提高了氧还原活性和稳定性。

文章信息

氮掺杂碳纳米管限域Co/Co2P异质结原位电化学重构用于锌-空气液流电池

第一作者：武明杰

通讯作者：张改霞*，孙书会*

单位：加拿大国立科学研究院

研究背景

锌空气电池具有能量密度高（1086 Wh kg-1）、成本低、安全环保等优点，被认为是一种极具潜力的电化学储能技术。虽然一次碱性锌空气电池已经商业化，成功应用于医疗和通讯领域，如微型助听器和无线信息传输设备。然而，电化学可逆锌-空气二次电池仍面临诸多挑战，尚处于实验室开发阶段。锌-空气二次电池的实际应用要求使用低成本、高效、稳定的氧还原反应（ORR）和析氧（OER）双功能催化剂。

为了解决这一问题，研究人员先后开发了一系列双功能催化剂。然而，为了实现锌空气电池的大电流充放电、大容量、长循环能力，双功能催化材料的活性和稳定性还有待进一步提高。同时，致力于研究材料本身在原位电化学过程中的结构演变，确定真正活性态的形成对于合理设计高活性、高稳定性的双功能催化材料至关重要。

文章简介

基于此，来自加拿大国立科学研究院的孙书会教授课题组，在国际知名期刊ACS Energy Letters上发表题为“Self-Reconstruction of Co/Co2P Heterojunctions Confined in N-Doped Carbon Nanotubes for Zinc–Air Flow Batteries”的研究论文。

该工作思路是利用Co/Co2P异质结催化生长碳纳米管过程中调控氮活性位点的结构和组成，同时实现高度有序、高石墨化程度的碳纳米管材料。其中石墨化氮大大提高了氧还原活性和稳定性。

同时该工作巧妙的利用金属磷化物作为钴颗粒的异质相，利用高氧化电位条件下脱磷作用，实现了异质结被高效重构为CoOx(OH)y活性物质，大大提高了该复合材料在碱性条件下的氧析出活性和稳定性。研究者们利用原位同步辐射表征技术结合电化学测试手段证实了以上结论。

该材料优异的ORR和OER双功能催化性能使得可充式锌空气液流电池表现出超长的循环寿命（超过1000小时或者循环）和高的充放电效率。该文章为合理设计和大规模合成低成本双功能电催化剂及锌空气电池器件应用提供了一种新的思路和方法。

图1. Co/Co2P异质结调控氮活性位点组成，以及原位电化学自组装。

本文要点

要点一：本文通过构建Co/CO2P异质结调控氮活性位点的构型和组成，同时利用Co/Co2P异质结高效转化CoOx(OH)y实现了ORR/OER活性和稳定性的同步提高。并通过结合TEM和同步辐射表征手段，详细揭示了该复合材料在电催化过程中的结构演化过程。(图 2,3)

图2. 双功能催化剂电化学性能

图 3. 原位技术表征Co/Co2P@NCNTs结构变化和活性态的形成

要点二：由于其独特的结构设计，该复合材料作为可充式锌空气液流电池的前催化剂，连续循环超过1000次（1000小时）性能没有明显衰减。大大提高了电池的充放电效率和循环稳定性。(图 4)

图 4. 液流锌-空气电池性能测试

文章链接

Self-Reconstruction of Co/Co2P Heterojunctions Confined in N-Doped Carbon Nanotubes for Zinc–Air Flow Batteries. ACS Energy Letters 2021, 1153-1161.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.1c00037

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31篇SCI科学论文，被引用次数超过700次，H因子=14，其中一作文章包括ACS Energy Letters, Advanced Energy Materials，Nano Energy（2），Energy Storage Materials（2），Small Methods, Green Chemistry, Journal of Catalysis，Applied Energy，Carbon Energy等高水平杂志。

通讯作者介绍

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 (Royal Society of Canada) 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27）执行主编。孙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，水解制氢的研究与应用。已发表超过210篇SCI论文，他引超过12000次，H因子=55，其中包括Nature Communications, Energy Environ. Sci., Advanced Materials, J. Am. Chem. Soc., Advanced Energy Materials, Angew. Chem., Nano Energy等高水平期刊，编辑了3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化学、电化学、电能源转换与存储研究方向的博士生和博士后。