高电流密度锌空气电池在下一代能源技术中显示出巨大的前景，而缓慢的氧气反应和扩散动力学阻碍了其应用。在此，复旦大学赵东元院士团队报道了具有可调介孔碳层厚度（Meso-Mo2C/C-x，其中x代表厚度）的多级介孔碳化钼/碳微球。最佳的 Meso-Mo2C/C-14 复合材料（直径约 2 µm）由介孔纳米片（厚度约 38 nm）组成，其具有双边介孔碳层（厚度约 14 nm）、内部 Mo2C/C 层（厚度约 8 nm）。实验和计算证实，多级介孔Mo2C/C可以增强亲水性以提供足够的O2，通过高活性Mo2C和氮掺杂碳位点加速氧还原动力学，并促进多级介孔上的O2扩散动力学。因此，Meso-Mo2C/C-14 可以实现高半波电势（0.88 V vs RHE）和低塔菲尔斜率（51 mV dec−1）用于氧还原。更重要的是，锌空气电池具有超高功率密度（272 mW cm−2），并且在高电流密度条件下（100 mA cm−2）具有100小时稳定性。该研究成果以题为“Boosted Oxygen Kinetics of Hierarchically Mesoporous Mo2C/C for High-current-density Zn–air Battery”发表在Wiley期刊《Small》上。华中科技大学夏宝玉教授课题组，西安交通大学苏亚琼教授课题组分别完成了该工作的电化学和计算部分。
近年来，功能介孔复合材料凭借其高比表面积、可调的孔隙率、开放的介孔通道和可控的形貌/纳米结构等优势，在化学材料领域引起了广泛关注。基于上述功能优势，介孔复合材料在下一代能源技术中显示出广阔的应用前景，例如，锂离子电池、燃料电池、金属-空气电池等。其中，利用低成本介孔碳基质负载高活性金属基纳米颗粒/团簇/位点的碳/金属介孔复合材料，被报道可用作阴极氧还原反应（ORR）电催化剂，并在锌-空气电池中展示了巨大的应用潜力。然而，在高电流密度下（如100 mA cm-2），碳/金属介孔复合材料的锌-空气电池会表现出快速的性能衰退和较差的循环性/稳定性。这种较差的循环性能原因在于，这些复合材料的不合理纳米结构无法提供快速的氧传输，这对碳/金属介孔复合材料在电化学能源技术中的实际应用构成了巨大的障碍。
为了解决上述氧扩散的挑战，研究人员已经深入探索并设计了多级介孔结构。例如，由石墨烯和介孔碳组成的多级介孔复合材料。这种复合材料表现出了较高的比表面积、均匀的开放介孔通道、高的电子导电性和增强的ORR性能。此外，研究人员还报道了由碳化钼（Mo2C）纳米颗粒和介孔氮掺杂碳纳米片所组成的复合物。这种复合物具有独特的多级三维（3D）结构，并且充分暴露了高活性位点，因此显著提升了ORR活性。但是，迄今为止，多级介孔碳基复合材料在高电流密度锌-空气电池中仍未实现较好的循环性能。此外，由于传统多步合成法在结构可调性方面的局限性，多级介孔结构在氧扩散中的关键作用也尚不清楚。因此，设计一种具有可调结构的新型多级介孔复合材料，并揭示多级介孔结构与氧还原性能之间的构效关系，对于高电流密度下的锌-空气电池具有重要意义。
图 1. 次序组装过程示意图。
图 2. 介孔纳米片花球的形貌和结构表征。
图 3. 介孔纳米片花球的形貌调控。
图 4. 介孔纳米片花球的形成机理。
图 5. 氧还原和锌空电池性能。
图 6. 氧还原反应动力学。
图 7. 氧扩散动力学。
赵东元院士，中国科学院院士、第三世界科学院院士。主要从事介孔材料的可控合成及催化、能源、环境、生物应用研究，发展合成了19种复旦大学命名的介孔材料及系列新组分、结构的有序介孔材料，提出了一系列合成新方法体系，取得了国际公认的开创性成果，发表SCI论文800余篇，包括Science, Nature, Nat. Mater., Nat. Chem., JACS, Angew, Adv. Mater等顶级期刊，被引12万余次。获国家自然科学一等奖、国家自然科学二等奖、何梁何利科学进步奖、中国化学会-化学贡献奖、中国分子筛成就奖等国内外重要奖项，任国际介观材料协会主席、ACS Central Science执行编辑、National Science Review副主编等。现任复旦大学化学与材料学院院长，复旦大学党委常委、统战部部长，内蒙古大学能源材料化学研究院院长。
张俊烨，复旦大学博士生，师从赵东元院士。2018年获得华中科技大学学士学位（导师：夏宝玉教授/王春栋教授），同年进入复旦大学攻读博士学位。现主要研究方向为介孔电催化剂的合成与应用。目前已在 J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Energy Environ. Sci., Adv. Energy. Mater., Nano Energy, ACS Nano 等期刊上发表论文多篇，其中5篇为ESI高被引论文。
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