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结构和缺陷双策略设计多层纳米球用于低温锌空气电池

邃瞳科学云

2024-01-09

导读：本研究针对锌空气电池在低温条件下循环寿命短、倍率性能差、低成本催化材料研发所面临的瓶颈，对双功能电催化剂的微纳结构和内部电子结构参数调节等基础科学问题展开了研究。

背景介绍

柔性电子的蓬勃发展推动了可穿戴柔性储能设备研究的热潮。作为一种先进的储能技术，锌空气电池系统具有成本低、安全性好、耐低温、理论功率密度和能量密度高等优点。此外，由于具有清洁无污染、安全性强、发电过程外泄信号低、发热少、易制成可穿戴器件等优点，锌空气电池必将在现代信息化设备特别是电动汽车产业建设中发挥至关重要的作用。近年来，发展耐低温、轻便可穿戴、功率密度高的锌空气电池系统是现阶段研究的重点。然而，发生在空气正极的析氧反应（OER）和氧还原反应（ORR）涉及多步电子转移过程且反应动力学缓慢，极大地限制了锌空气电池的功率密度和能量的转换效率。尤其是在极端工作条件下，催化反应的反应动力学进一步被降低。为促进锌空气电池在极端且恶劣条件下的应用，探索高效且稳定的OER和ORR双功能电催化剂至关重要，但目前仍面临着巨大的挑战性。因此，设计和研发适用于极端低温条件下、催化性能优良且成本低的电催化剂，建立微观/电子结构调控和反应机理模型，揭示组分-结构-性能之间的构效关系，并以此为基础开发高性能的低温锌空气电池具有极大的科学意义和技术实践意义。

成果简介

近日，暨南大学王子龙副教授针对锌空气电池在低温条件下循环寿命短、倍率性能差、低成本催化材料研发所面临的瓶颈，对双功能电催化剂的微纳结构和内部电子结构参数调节等基础科学问题展开了研究。通过简单的热诱导质量重构策略来构筑多层氧化物纳米球，优化催化剂的OH^-和O₂的传输和扩散效率。此外，通过有限元分析、原位测试分析技术和理论计算等手段揭示了阴离子掺杂和微观结构调控对局域配位环境和反应动力学的影响。以此为基础，探索了电子结构和微观结构的双调控策略对低温条件下电池电化学性能的影响，解决了锌空气电池在低温条件反应动力学缓慢和电化学性能差的瓶颈问题。

图文导读

图1. 有限元模拟分析多层球的层数对OH^-向O₂转化传质的影响。

图2. 氧化钴多层空心球的合成及结构表征。

图3. 阴离子P掺杂对内部电子结构的影响探究。

图4. 低温锌空气电池性能研究。

作者简介

第一作者：雷航，三峡大学校聘副教授，博士毕业于暨南大学，南洋理工大学联合培养博士。研究方向包括柔性可穿戴电池/二次离子电池/金属空气电池的关键电极材料设计，以及电催化剂在电解水制氢方面的应用。侧重于纳米材料微观结构/电子结构的调控、原位监测技术开发、质量/电子传输、中间产物吸附/脱附等性质的优化。目前发表论文30余篇，论文发表在Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Nano Energy、InfoMat、Journal of Energy Chemistry等高水平期刊上，其中包括四篇高被引论文（ESI 1%），一篇封面论文，论文被引1600余次。