表面/界面纳米工程调控非贵过渡金属氮化物双功能锌空气电池正极电催化剂

过渡金属氮化物（TMN）具有与贵金属元素相似的物理性质和独特的电子结构化学性质。研究表明，在过渡金属中引入N元素可以增加d带的电子密度，收缩d带的电子结构，使其电子结构与贵金属Pt的电子结构相似，并使态密度的费米能级交叉。因此，TMN可以作为能源相关过程中的高效电催化剂。

近日，上海大学赵宏滨教授和叶代新副研究员等研究者总结了TMN在双功能ZABs正极电催化剂中的发展和应用。对就基于表面/界面纳米工程调控的TMN材料作为ZABs的ORR和OER电催化剂的的合成、化学/物理表征以及性能验证/优化等相关研究进行了综述，同时对面临的主要技术挑战和发展前景进行了分析和展望。

作者在文中介绍了水性ZABs空气正极的基本原理；总结了现阶段TMN不同的化学合成方法及其优缺点。在文中从不同的表面/界面纳米工程策略对TMN基催化剂在ZAB 中ORR/OER催化能力的影响进行了较全面的总结；分析了目前影响TMN基催化剂实际应用的若干技术难题，并提出了克服这些难题的研究策略。

挑战与展望

1. 目前过渡金属氮化物(TMN)具有以下挑战：

1) 没有实施一种简单、低成本、易获得的方法来制备TMN基材料。目前，TMN基材料的制备通常需要几个步骤，需要在高温下用NH₃进行氮化，这往往不环保、能耗高、产品纯度低。

2) 过渡金属成分配比不合理。在合成过程中，比例只从几组有限的实验中筛选出来。因此，在大多数双金属或多金属TMN基空气正极电催化剂中，各金属组分的最佳比例是模糊的，甚至是不确定的。

3) 对TMN基材料氮化形成的机理认识不足。尤其是氮化过程中一些前驱体形成TMN的机理还不够清楚。

4) 对TMN基空气正极电催化对ORR和OER的协同催化机理缺乏基本认识。

5) TMN基空气正极电催化剂在实际应用中的双功能ORR和OER稳定性和活性不足。要获得同时具有较高的ORR和OER性能的TMN基电催化剂仍然很困难，这严重影响了其实际应用。

6) TMN基催化剂OER性能较低的另一个重要原因是氮化物表面形成了相应的氧化物。OER过程后的XPS分析证实了这种氧化物的形成。基于TMN的OER催化剂应具有抗表面氧化能力，因为生成的含氧物种是强氧化剂。负极过电位受吸附物种(M^*-OH_ads and M^*-O_ads)的强烈影响，阻碍了含氧物种接近金属表面。

2. 过渡金属氮化物(TMN)未来可能的研究方向：

1) 进一步改进现有的合成方法，探索利用经济实惠的原料、温和的反应条件和无污染的合成路线合成目标TMN基材料的新方法。

2) 继续研究双金属或多金属TMN基电催化剂中各金属组分的配比，确定最佳组分配比。

3) 利用理论计算和更先进的XRD/Nd、Raman、TEM、MS/TGA、FTIR、XAFS等原位测试技术，进一步从根本上认识TMN材料的生长机理及其催化ORR和OER机理。理论模拟和现场实验表征以及电池性能验证相结合，可以有效地优化催化剂的ORR和OER活性和稳定性，从而达到实际应用的目的。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Regulating non-precious transition metal nitrides bifunctional electrocatalysts through surface/interface nanoengineering for air-cathodes of Zn-air batteries

Qixing Du, Yanmei Gong, Muhammad Arif Khan, Daixin Ye, Jianhui Fang, Hongbin Zhao, Jiujun Zhang

Green Energy Environ., 2021, DOI: 10.1016/j.gee.2021.01.018

作者介绍

赵宏滨教授：现为上海大学理学院化学系科研副主任，可持续能源研究院氢能燃料电池研究中心常务副主任，科技部重点研发计划锂离子和燃料电池会评网评专家。主要研究方向为燃料电池电极材料、锂离子电池、锂硫电池和超级电容器等。至今已发表高水平SCI和EI论文共80余篇，入选ESI高被引论文4篇，HOTPAPER 1篇，他引总次数超过1600次。

https://www.x-mol.com/groups/zhaohongbin 

叶代新副研究员：现为上海大学特聘副研究员，硕士生导师，上海市青年东方学者。2015年博士毕业于复旦大学，师从国家杰出青年获得者孔继烈教授。2015-2019在瑞典哥德堡大学从事博士后研究，合作导师为瑞典皇家科学院院士Andrew Ewing教授。主要从事新型碳纳米材料开发设计，主要用于电催化和电化学传感领域等。目前已发表文章近50篇，其中第一作者或通讯作者文章28篇，引用1500多次，H指数为20。

张久俊院士：博士/教授/博士生导师，加拿大皇家科学院院士、加拿大工程院院士、加拿大工程研究院院士，长期从事电化学能源存储和转换的研究和产业化工作。曾担任加拿大国家院首席科学家，并在全球领先的企业任职过高级研究员和项目经理；加拿大国家自然科学基金会评专家、美国国家能源部（DOE）基金委员会评委、国际科技基金仲裁团委员；连续7年入选全球高被引学者名单。至今已发表科学技术论文报告400余篇，被引用22000多次。