廉价、高效双功能氧电催化剂设计及柔性准固态锌-空气电池应用

锌-空气电池是金属-空气电池的一种，它通过金属锌和空气中的氧气发生氧化还原反应将化学能转化为电能的装置。由于其具有高能量密度、清洁环保、安全等特性，在电子设备、通讯系统等领域具有重要的应用。迄今，可充电锌-空气电池主要采用金属Pt和Ir等作为空气电极催化剂，其高成本、长期稳定性大大限制了锌-空气电池的应用。发展廉价、高效双功能氧电催化剂，提高空气电极反应效率对推动锌-空气电池研究和应用具有重要的意义。

针对上述问题，近日，新加坡国立大学材料系官操博士和John Wang教授研究团队联合同济大学物理科学与工程学院程传伟教授以及新加坡新加坡科技研究局Liu Zhaolin研究员等运用简单的溶液方法，将二维金属有机框架化合物（Metal-organic frameworks）的纳米阵列生长在柔性的碳布衬底上，通过高温碳化将其转化为Co-N掺杂碳纳米片阵列结构。进一步通过氧化反应，由于柯肯达尔效应导致金属钴的膨胀，从而获得N掺杂碳包覆空心Co₃O₄纳米球的阵列结构。

该Co₃O₄/N-Carbon复合结构作为双功能氧电催化剂，显示高效的氧还原和析氧反应催化特性，进一步作为无粘结剂空气电极，成功构建了高性能和高稳定性的柔性准固态锌空气电池。其开路电压可达1.44 V，最大容量387.2 mAh g^-1（基于Zn和催化剂的质量和），并且可以在10小时不断的弯折中保持良好的性能，其性能优于基于贵金属Pt和Ir的空气电极。该Co₃O₄/N-Carbon催化剂优异的电催化性能可归于其特殊的结构设计和协同效应，即空心的Co₃O₄纳米球结构由许多超细纳米晶粒组成，可提供充足的反应活性位点和较短的离子扩散路径，氮掺杂碳表面包覆层进一步改善电子传输和电极稳定性。

该工作为开发廉价、高性能氧电催化剂和柔性锌-空气电池研究提供了工作思路。

该论文作者为：Cao Guan, Afriyanti Sumboja, Haijun Wu, Weina Ren, Ximeng Liu, Hong Zhang, Stephen J. Pennycook, Zhaolin Liu, Chuanwei Cheng, and John Wang

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Hollow Co₃O₄ Nanosphere Embedded in Carbon Arrays for Stable and Flexible Solid-State Zinc–Air Batteries

Adv. Mater., 2017, 29, 1704117, DOI: 10.1002/adma.201704117

官操博士简介

官操，现为新加坡国立大学材料系博士后。2009年获武汉大学学士学位，2013年获新加坡南洋理工大学博士学位（导师为范红金副教授和张华教授），2014年在新加坡国立大学工作（导师为John Wang 教授和Steve Pennycook教授）。主要研究阵列化空心/多孔的纳米储能材料和柔性储能器件。共发表文章40多篇，被引用2500次，13篇论文被评为ESI高被引或热点论文。以第一作者/通讯作者在Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Nano Letters、ACS Nano、Advanced Functional Materials、Nano Energy 等期刊上发表相关学术论文11篇。

程传伟教授简介

程传伟，同济大学物理科学与工程学院教授。2004年和2009年分别获南京航空航天大学学士和博士学位。2011年6月入职同济大学。主要研究领域光电催化、电化学储能、原子层沉积技术应用等，在Nano Today、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、ACS Nano、Advanced Functional Materials、Small 等期刊发表论文100余篇，被引用4300余次。

http://www.x-mol.com/university/faculty/41624