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西安工程大学武占省教授团队Energy Storage Mater.：高性能可充电锌-空气电池：材料设计和催化剂-膜电极界面工程

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2025-01-01 22:47

正文

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▲第一作者：杨博龙

通讯作者：杨博龙，武占省

单位：西安工程大学

doi：10.1016/j.ensm.2024.103985（点击文末「阅读原文」，直达链接）

研究背景

可充电锌-空气电池（ZABs）作为一种结合了二次电池和燃料电池关键特性的新型储能/转换装置，在消费电子市场受到了广泛关注。ZABs不仅理论能量密度高(＞1000W h kg ^-1 )，它们还显示出其他的特性及优势，例如丰富的资源储量，环境友好无污染，成本低和长时的储存及运行安全性，稳定的充放电性能，电化学响应快和无电池记忆效应等，在电动汽车、固定式储能系统和便携式电子设备等领域展现出巨大的应用潜力。然而，要实现ZABs的商业化和广泛应用，仍需解决一些关键技术难题。

文章简介

近日，来自西安工程大学的武占省教授团队，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Material Design and Catalyst-Membrane Electrode Interface Engineering for High-Performance Rechargeable Zinc-Air Batteries”的观点文章。该文章首先从无金属催化剂，金属位点原子级分散的催化剂，过渡金属化合物三个方面总结了近年来关于ZABs中电催化剂结构设计的研究进展。再从膜电极的层面出发阐述了自支撑电极的构筑策略，并且深入探讨了如何通过合理的结构设计来提高电催化剂的催化活性和稳定性，并详细分析了不同合成策略对电催化剂性能的影响。同时通过理论计算，数据驱动的机器学习，原子尺度表征以及原位运行和表征四个方面出发对目前理解空气电极机理的方法进行了总结归纳。最后，基于当前的研究成果，我们还对ZABs未来的发展方向给出了建议。我们相信，这篇综述将为ZABs中的材料设计和界面工程提供有益的参考和启示，并期待为推动该领域的持续发展做出贡献。

图1. 高性能可充电锌-空气电池：氧电催化剂、自支撑电极和机理。

本文亮点

要点一：ZABs氧电催化剂的设计

可充电的ZABs通过涉及ORR和OER的电化学过程进行充放电，因此需要双功能空气电极来加速其缓慢的反应速率。虽然贵金属Pt/Ru催化剂具有显著的ORR/OER催化活性，并且在这方面的研究已经取得了长足的进步，但是高昂的成本和有限的原料来源严重阻碍了它的商业化进程。因此，研究人员已将更多的研究焦点投入到非贵金属氧还原催化剂领域。

图2.ZABs结构示意图及对高活性稳定电催化剂的要求。

图3.无金属碳基催化剂的优点及在ZABs的研究实例。

图4. 单原子催化剂合成策略的典型代表。

要点二：自支撑电极的构建策略

自支撑电极是指活性物质直接生长在导电基底上或者独立形成完整独立薄膜的电极材料。区别于粉末态催化剂，自支撑电极不在需要有机粘合剂和导电添加剂，活性物直接生长在导电基体上，电荷能快速在活性材料与基底间传输，从而避免了额外电阻的影响。此外，通过水热法或电化学沉积等不同的合成策略，活性物质可以在所选基体上以纳米阵列的方式原位生长，形成纳米线、纳米棒和纳米片等构成的三维阵列结构或具有三维多孔结构的独立薄膜。由于原位生长的纳米阵列往往具有独特支撑作用，避免了活性物质的聚集，创造出更大的活性面积，暴露出更多的活性位点。

图5.自支撑电极的构筑策略。

要点三：空气阴极的机理理解

ZABs的功率密度受空气阴极的ORR/OER速率直接影响，认识空气阴极机理有助于了解ORR/OER反应的过程和机制，便于寻找合适的方法来降低反应过电位、提高反应效率，减少电极在充放电过程中的极化现象，从而延长电池的循环寿命，增强电池的稳定性和可靠性。在电极结构设计方面，依据对氧气传输和反应过程的认识，合理设计气体扩散层的孔隙结构和疏水性，确保氧气能够顺利扩散到催化层，同时防止电解液淹没催化层。优化集流体的结构和导电性，提高电子传输效率。设计合适的催化层结构，增加催化剂的活性位点暴露，提高催化反应的效率。本综述将从理论计算、数据驱动机器学习、原子尺度表征和器件中原位监测四个方面对于目前理解ZABs空气电极反应机理的方法进行了阐述。

要点四：前瞻

总的来说，燃料电池是一个多相、多尺度、传递过程与电化学反应高度耦合的多功能反应装置。未来还需要从人工智能筛选，膜电极可控构筑，计算流体力学仿真指导，原位操作表征技术等方面出发，一步步推进ZABs技术的发展。相信在不远的未来，目前所遇到的主要问题都会迎刃而解，ZABs也将真正地走进千家万户，开创洁净能源新时代。

图6. 单原子催化剂的表征技术。

图7. 未来提高ZABs性能的策略。

作者介绍

杨博龙，男，2024年6月获北京化工大学博士学位，2024年9月入职西安工程大学，主要研究方向集中在氧电催化剂的可控制备以及能源催化器件的高效构筑。目前发表高水平论文20余篇，以第一作者身份在Adv. Mater., Nano Energy, ACS Nano等高水平期刊发表学术论文10篇，影响因子总计超过120，主要参与过科技部重点研发计划、国家自然科学基金国际合作重点项目、中石油以及金川等企业横向项目。获国家奖学金，北京化工大学新特能源特等奖学金，北京化工大学优秀博士学位论文等荣誉。

武占省教授西安工程大学环境与化学工程学院院长，博士生导师。国家优青、陕西省“秦创原”科学家+工程师队伍任首席科学家，入选全球顶尖前10万科学家和前2%科学家榜单、咸阳市科技创新领军人才；任西安市重点实验室主任、陕西省高校工程技术研究中心主任、陕西高校青年科技创新团队负责人，中国生物工程学会生物基材料专业委员会委员兼副秘书长，中国微生物学会农业微生物专业委员会委员、中国植物营养与肥料学会生物炭专委会委员、中国化工学会化工新材料专业委员会委员、全国样板党支部负责人、《Biochar》（IF=12.7）、《Carbon Research》编委等；荣获全国宝钢优秀教师奖、全国大学生“挑战杯”科技作品竞赛“优秀指导教师”、全国万名优秀创新创业导师、桑麻教师奖、基亚特教师奖。主要从事生物制剂及炭基材料的制备关键技术与应用等研究方向。获得微生物菌剂产品登记证1个，实现产业化应用，取得良好经济和社会效益。主持国家重点研发计划项目课题1项（负责472万元）、主持国家自然基金优青、面上、地区、青年等6项、主持省市级以上科研项目20余件项；发表学术论文150余篇，其中第一和通讯作者发表SCI论文118篇，被引7000余次，H因子45，申请中国发明专利50余项，授权18项，转让4项；荣获侯德榜化工科技创新奖、教育部技术发明二等奖、新疆兵团科技进步二等奖和三等奖、陕西高校科技成果二等奖、中国产学研合作促进奖二等奖、省级优秀学术论文二等奖2项三等奖4项等20余项。

【文章链接】

Material design and catalyst-membrane electrode interface engineering for high-performance rechargeable zinc-air batteries

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103985