近日，東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院喬錦麗教授團(tuán)隊(duì)在金屬-空氣電池領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以《高效量子點(diǎn)復(fù)合催化劑作為高活性氧還原/氧析出催化劑在先進(jìn)金屬空氣電池中的應(yīng)用》(EfficientQuantumDotsAnchoredNanocompositeforHighlyActiveORR/OERElectrocatalystofAdvancedMetal-AirBatteries)為題，發(fā)表于能源領(lǐng)域著名期刊《NanoEnergy》，該論文第一作者是環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院博士生徐能能。

“金屬-空氣電池”小科普

空氣也能發(fā)電？

是的，你沒有聽錯(cuò)，

空氣也能發(fā)電！

金屬-空氣電池是什么？

金屬-空氣電池是以電極電位較負(fù)的金屬如鋅、鎂、鋰等作負(fù)極，以空氣中的氧或純氧作正極的活性物質(zhì)。

金屬-空氣電池應(yīng)用前景如何？

一起來看看~金屬-空氣電池因其擁有理想的能量密度和功率密度，并有望實(shí)現(xiàn)在能源轉(zhuǎn)化與儲存領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，包括新能源汽車、固定式能量站和可穿戴設(shè)備等，引起國內(nèi)外研究者的高度關(guān)注。

金屬-空氣電池開發(fā)的關(guān)鍵是？

金屬-空氣電池的發(fā)展主要受限于空氣電極緩慢的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，開發(fā)廉價(jià)、具有優(yōu)異雙功能活性的非貴金屬催化劑成為發(fā)展金屬-空氣電池的關(guān)鍵。其中，碳載金屬氧化物復(fù)合催化劑因其組分間的協(xié)同作用以及良好的氧還原、氧析出活性，被認(rèn)為是最有潛力替代貴金屬催化劑的候選材料之一。目前提升復(fù)合型催化劑電化學(xué)性能的方法主要分為兩種：增加活性位點(diǎn)數(shù)和提高本征活性，前者可通過降低材料粒徑、增加材料的比表面積來實(shí)現(xiàn)；而后者主要途徑是通過摻雜等手段。

課題組的研究新突破

研究團(tuán)隊(duì)對此開展相關(guān)研究，提出了基于增加催化劑活性位點(diǎn)，同時(shí)提高其本征活性的理念，成功構(gòu)建了大比表面積的NiFe2O4量子點(diǎn)/碳納米管復(fù)合催化劑，實(shí)現(xiàn)了超小粒徑NiFe2O4量子點(diǎn)在碳納米管上的一步錨定。該復(fù)合催化劑解決了小粒徑金屬氧化物易團(tuán)聚的難題，擁有的金屬氧化物量子點(diǎn)可縮短催化反應(yīng)的電子傳遞路徑。此外，量子約束效應(yīng)以及陽離子摻雜策略提高了催化劑的本征活性；其獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改善了催化劑的傳質(zhì)與電子傳導(dǎo)過程。

真理無窮，每進(jìn)一步都是歡喜

徐能能告訴記者，從偶然的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)到探索其背后的科學(xué)研究價(jià)值，這是在無數(shù)次嘗試與積累后，課題組取得的一次特別寶貴的收獲，激發(fā)大家更多的研究能量和堅(jiān)持。

課題組通過合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、反復(fù)的試驗(yàn)與驗(yàn)證，研究出NiFe2O4量子點(diǎn)與碳納米管復(fù)合材料對氧還原和氧析出反應(yīng)的催化機(jī)理，并通過密度泛函理論（DFT）驗(yàn)證出Ni作為活性位點(diǎn)與FeOx/CNTs的耦合提高了催化劑的反應(yīng)活性，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出基于泡沫鎳的新型空氣電極，提高了鋅空電池穩(wěn)定性（充放電循環(huán)大于800小時(shí)，電壓差為0.62V）；同時(shí)，進(jìn)一步引入堿性陰離子交換膜作為全固態(tài)電解質(zhì)，開發(fā)出優(yōu)異性能的柔性金屬空氣電池。

據(jù)悉，本課題組已制備出大面積自支撐空氣電極，同時(shí)結(jié)合學(xué)校紡織學(xué)科特色，有望實(shí)現(xiàn)柔性鋅空、鎂空電池在大規(guī)模可折疊、可穿戴能源設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用。

值得一提的是，喬錦麗教授團(tuán)隊(duì)還通過溫和的水熱法設(shè)計(jì)制備了基于MnO2納米管等一系列的Fe/Co/Ni/La基纏繞或包覆CNT以及核-殼結(jié)構(gòu)的雙功能催化劑，實(shí)現(xiàn)了鋅空電池的高功率密度、高容量密度以及高穩(wěn)定性等特性，這些相關(guān)研究先后發(fā)表在Nanoscale，ACSAppl.Mater.Interfaces，Sci.Bull.，Catal.Today以及Sci.Rep.等國內(nèi)外知名期刊，并獲得多項(xiàng)發(fā)明專利。這些前期的研究工作為本篇研究論文的發(fā)表奠定了扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)支撐。