用于可充電鋅空氣電池陰極的新型多孔納米籠型氧反應器
【化工儀器網 項目成果】鋅空氣電池是一種體積小、電荷容量大、質量小、能在寬廣的溫度范圍內正常工作、無腐蝕且工作安全可靠的環保電池，有著高理論能量密度、高安全性、低成本等優點，是一種極具發展前景的儲能技術。目前，鋅空氣一次電池已被廣泛應用于助聽器、路燈等電子設備中。
隨著新能源發電、新能源汽車產業發展，研究人員們開始不斷研發鋅空氣二次電池，然而，鋅空氣二次電池不僅有著無法充電的致命缺陷，同時用于該電池的催化劑一般是貴金屬催化劑，貴金屬資源有限，成本高，開采困難，并且其催化性能單一、催化穩定性低，催化效率遲遲不能突破。開發出高效穩定的雙功能氧催化劑替代傳統的貴金屬催化劑，對于鋅空氣二次電池的產業化至關重要。
安徽理工大學材料科學與工程學院教授張雷團隊以自然界的石榴作為催化劑設計藍本，他們認為，每一粒石榴果實都可以理解為一個催化活性位點，大量果實的集成豐富了催化所需要的活性位點，有助于高效的催化反應。然而這些活性位點往往被深埋于體相，導致活性位點的實際利用率極低，這就像石榴果實被包裹于果皮內，難以與外界的各種反應物質充分接觸，這造成催化劑的催化活性難以完全發揮。
在此次研究中，研究團隊提出了一種新的活性調控策略，他們通過將雙功能活性中心裝填于多孔碳納米籠中，利用獨特的孔洞設計加速電催化反應中的傳質和傳荷過程，實現了催化活性的大幅度提升，從而制備出了一類新型的多孔納米籠型反應器。這種方法類似于在石榴表皮上構筑大量的孔，這些孔讓大量的石榴果實與外界的反應物質充分接觸，增大反應面積，加快物質的傳輸效率。
該項成果不僅克服了傳統的電催化劑只對其中一個半反應具有出色的催化活性，而對另一個半反應往往催化活性一般的弊端，更為從微/納米尺度上認識催化活性位點的組成、空間分布、界面電荷轉移以及傳質/傳荷通道等與催化活性和穩定性之間的關聯機制，提供了一個有效策略和理想的催化劑模型。這項研究可為下一代可逆能源轉化系統中多功能電催化劑的設計和發展提供新的思路。
(資料來源：中國科學報)
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