可充电锌-空气电池是一种备受关注的新型储能器件，具有高达1370 Wh•kg-1的理论比能量，且成本低、环境友好、安全性高。锌-空气电池的应用需要空气电极上具有高性能的氧还原/氧析出双功能催化剂，因此高效双功能电催化剂的研发成为目前的热点问题。其中，过渡金属化合物因具有优异的活性得到广泛的关注。在过渡金属化合物催化剂的研究中，人们常对其进行阳离子或阴离子调控以实现更优的催化活性。阳离子调控的典型实例包括镍铁、钴铁体系等，铁离子的掺杂可以极大地提升催化活性。阴离子调控则是一种较新的研究手段，包括对金属氧化物、氢氧化物、氮化物、硫化物、磷化物等的调变与复合。
近日，清华大学化工系的张强研究团队设计了一种新型的硫化氢氧化物氧还原/氧析出双功能催化剂。该工作采用阴离子调控的手段，结合绿色化学的理念，常温下在氢氧化物中掺入硫离子，合成的硫化氢氧化物保留原氢氧化物的形貌特征，同时催化性能得到显著的提升。相关成果发表在Advanced Materials 上。
作者首先合成了负载在石墨烯上的钴铁复合氢氧化物纳米颗粒，随后将其浸泡在高浓度的硫化钠溶液中。由于硫化物与氢氧化物在溶解度上的差异，硫离子会逐渐取代固相中的氢氧根，从而形成新型的硫化氢氧化物结构。由于反应条件温和，过程绿色环保。硫化后的材料仍可保持以往的纳米颗粒结构，避免高温硫化过程中发生颗粒聚并。硫化后，由于硫离子对金属离子电子结构的影响以及颗粒表面无定型化带来的高比表面积，硫化氢氧化物材料表现出优异的双功能催化活性。氧析出在10 mA•cm-2的电流密度下电势为1.588 V，氧还原的半波电势为0.721 V，两者的电势差仅为0.867 V。随后以硫化氢氧化物为空气电极催化剂的锌-空气电池的测试中，20.0 mA•cm-2的电流密度下过电势仅为0.86 V，比容量高达898 mAh•g-1，并在2.0 mA•cm-2的电流密度下恒流充放电超过100圈后仍可维持充放电的电势差不变。
该研究利用阴离子调控的思想，提出了一种新型的硫化氢氧化物催化材料用于氧还原与氧析出的双功能电催化，合成方法简单有效、易于重复，对新型过渡金属化合物的开发及在储能领域的应用提供了新的原理和思路。该论文的完成人为清华大学的王浩帆、唐城、王斌、李博权和张强。
近年来，清华大学的张强教授研究团队致力于能源材料的研究。该团队及其合作者提出无贵金属双功能氧还原/氧析出催化剂的概念，探讨缺陷在电催化中的关键作用，并探索其在锌-空气二次电池中的应用。相关研究工作发表在Small（Small, 2014, 10, 2251-2259）、Adv. Funct. Mater.（Adv. Funct. Mater., 2014, 24, 5956）、Adv. Mater.（Adv. Mater., 2015, 27, 4516）、Adv. Mater.（Adv. Mater., 2016, 28, 6845）、Sci. Adv.（Sci. Adv., 2016, 2, e1600495）、Adv. Mater.（Adv. Mater., 2017, 29, 1604103）等。
该论文作者为：Hao-Fan Wang, Cheng Tang, Bin Wang, Bo-Quan Li, Qiang Zhang
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Bifunctional Transition Metal Hydroxysulfides: Room-Temperature Sulfurization and Their Applications in Zn-Air Batteries
Adv. Mater., 2017, 29, 1702327, DOI: 10.1002/adma.201702327
导师介绍
张强
http://www.x-mol.com/university/faculty/21097
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