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朱雪峰/杨维慎综述：金属-空气电池中的ORR & OER双功能电催化剂

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2020-03-11 07:00

正文

DOI: S1872-2067(19)63514-X

前言

近日，《催化学报》在线发表了大连化物所朱雪峰、杨维慎研究员团队关于金属-空气电池中ORR & OER双功能电催化剂微纳结构设计的综述文章。该工作总结了文献中高活性和高稳定性的双功能电催化剂的纳米结构设计策略和对相应催化反应机理的认识。论文第一作者为：石芳，论文通讯作者为：朱雪峰研究员。

背景介绍

金属-空气二次电池在可再生电能的存储和转换方面具有广阔的应用前景。在金属-空气二次电池的空气侧，放电时发生氧还原（ORR）反应，充电时发生氧析出（OER）反应。然而，氧还原反应和氧析出反应的动力学过程缓慢，限制了金属-空气二次电池的实际应用。因此，发展高性能ORR和OER电催化剂对金属-空气二次电池的发展尤为重要。目前，大多数的研究和讨论都集中在ORR或者OER的单功能电催化剂上，而关于双功能电催化剂的研究和综述相对较少。两个反应均具有较高的过电位和缓慢的动力学过程，而且充电过程的高电压常会导致ORR催化剂失活。因此，开发针对这两个反应均具有高活性和高稳定性的双功能电催化剂极具挑战性。

本文亮点

文章主要从表观活性和本征活性的角度分别探讨了催化剂的设计策略。

研究思路

文章首先简要讨论了ORR和OER的催化机理和常见的单功能催化剂。然后针对目前常用的催化剂从表观活性和本征活性的角度分别探讨了催化剂的设计策略。此外，作者还聚焦双功能电催化剂的微纳结构设计，并简要讨论了纳米结构的精细调控和对反应机理的认识。最后，作者还讨论了研发先进双功能催化剂所面临的挑战。

图文解析

图1. 本征活性，表观活性的主要影响因素

要点： 双功能电催化剂可以通过提高本征活性和表观活性两种策略来提高其整体活性。其中，本征活性与晶体结构和电子结构密切相关。对于金属化合物，可调变其键能来调变电催化活性。在碳基材料中掺杂杂原子可以改变碳的电荷密度分布或造成拓扑缺陷，从而提高电催化活性。对于金属氧化物而言，本征活性还与其晶体结构及缺陷有关。氧空位有利于催化活性的提高，然而过多的氧空位可能会造成晶体结构的改变，从而影响其催化活性。表观活性可以通过改变形貌并利用协同作用来改善。为实现活性位点的高利用率，构建特殊微纳结构是提高电催化活性的最常用策略之一。在这种情况下，电催化剂具有较高的比表面积，大量的活性位点和良好的电子传导性。与此同时，构建微纳结构还有助于催化剂中各组分之间的协同作用。

全文小结

1．本征活性和表观活性的增强是提高ORR和OER活性的重要因素。

2．晶体结构和电子结构等微观结构的变化是增强本征活性的重要途径。

3．调控微纳米结构和构建组分间的协同效应是提高表观活性的重要途径。

扩展版中文摘要

金属 - 空气二次电池在可再生电能的存储和转换方面具有广阔的应用前景 . 在金属 - 空气二次电池的空气侧 , 放电时发生氧还原反应 (ORR), 充电时发生氧析出反应 (OER). 然而 , ORR 和 OER 反应的动力学过程缓慢 , 因此限制了金属 - 空气二次电池的实际应用 . 因此 , 发展高性能 ORR 和 OER 电催化剂对金属 - 空气二次电池的发展尤为重要 . 目前 , 大多数的研究集中在 ORR 或 OER 的单功能电催化剂上 , 而关于双功能电催化剂的研究和综述相对较少 . 两个反应均具有较高的过电位和较缓慢的动力学过程 , 而且充电过程的高电压会导致 ORR 催化剂失活 , 反之亦然 . 因此 , 开发针对这两个反应均具有高活性和高稳定性的双功能电催化剂极具挑战性 . 近年来 , 研究者对具有低成本和高性能双功能电催化剂进行了探索 . 这些双功能电催化剂包括碳基材料 , 过渡金属材料和复合材料 . 双功能电催化剂可以通过提高本征活性和表观活性两种策略来提高其整体的活性 . 其中 , 本征活性与晶体结构和电子结构密切相关 , 即可以通过调节晶体结构和电子结构来提高其本征活性 . 例如 , 可以改变金属 - 氧键的强度、氧空位浓度等来调变电催化活性 . 在碳基材料中掺杂杂原子可以改变碳的电荷密度分布 , 从而实现对电催化活性的提高 . 此外 , 其表观活性还可以通过改变形貌并利用协同作用来改善 . 构建特殊微纳结构是提高电催化活性的最常用策略之一 . 在这种情况下 , 电催化剂具有较高的比表面积 , 大量的活性位点和良好的电子传导性 . 同时 , 复合电催化剂组分之间在加速电催化过程中的协同作用不容忽视 . 本文将聚焦双功能电催化剂的微纳结构设计 , 并简要讨论了纳米结构的精细调控和对反应机理的认识 .

我们认为 , 未来的工作应继续加强 ORR 和 OER 的新型双功能电催化剂的开发 , 发展更多的合成方法对电催化剂的微纳结构进行调变 , 并对反应机理进行更深入的研究 . 首先 , 通过对结构的精细调变提高电催化剂的本征活性和表观活性 . 此外 , 通过多种原位表征方法揭示反应机理 , 这有助于电催化剂的设计和催化活性的进一步提升 . 基于此 , 开发出性能优异的双功能电催化剂以加快用于存储和转换可再生能源的可充电金属 - 空气二次电池的商业化进程 .

作者介绍

朱雪峰 ，中国科学院大连化物所催化基础国家重点实验室研究员、博士生导师。主要研究方向为：致密混合导体陶瓷膜及膜催化和固体电化学及电催化。2001年7月毕业于北京师范大学获理学学士学位，2007年3月毕业于中国科学院大连化学物理研究所获理学博士学位。2008年在美国Arizona State University做博士后研究，2014年7月被聘为研究员，2017年被聘为“张大煜优秀学者”。在国际著名期刊发表研究论文90多篇，出版国际学术专著1部，, 获授权中国发明专利12件。

课题组链接： http://people.ucas.ac.cn/~zhuxuefeng

文献信息：

Fang Shi, Xuefeng Zhu *, Weishen Yang, Chin. J. Catal., 2020, 41: 390–403.

研之成理各版块内容汇总：

1. 仪器表征基础知识汇总

2. SCI论文写作专题汇总

3. Origin/3D绘图等科学可视化汇总

4. 理论化学基础知识汇总

朱雪峰/杨维慎综述：金属-空气电池中的ORR & OER双功能电催化剂

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