环境学院乔锦丽教授团队 在金属空气电池领域发表最新研究成果
近日，我校环境科学与工程学院乔锦丽教授团队在金属空气电池领域取得重要进展，相关成果以《高效量子点复合催化剂作为高活性氧还原/氧析出催化剂在先进金属空气电池中的应用》(Efficient Quantum Dots Anchored Nanocomposite for Highly Active ORR/OER Electrocatalyst of Advanced Metal-Air Batteries)为题，发表于能源领域著名期刊《Nano Energy》（影响因子13.120），该论文第一作者是环境科学与工程学院博士生徐能能。
（催化剂的催化机制及其在金属空气电池应用）
金属空气电池因其拥有理想的能量密度和功率密度，并有望实现在能源转化与储存领域的广泛应用，包括新能源汽车、固定式能量站和可穿戴设备等，引起国内外研究者的高度关注。然而，金属-空气电池的发展主要受限于空气电极缓慢的反应动力学，开发廉价、具有优异双功能活性的非贵金属催化剂成为发展金属-空气电池的关键。其中，碳载金属氧化物复合催化剂因其组分间的协同作用以及良好的氧还原、氧析出活性，被认为是最有潜力替代贵金属催化剂的候选材料之一。目前提升复合型催化剂电化学性能的方法主要分为两种：增加活性位点数和提高本征活性，前者可通过降低材料粒径、增加材料的比表面积来实现；而后者主要途径是通过掺杂等手段。
（催化剂的合成路径及结构表征）
课题组对此开展相关研究，提出了基于增加催化剂活性位点，同时提高其本征活性的理念，成功构建了大比表面积的NiFe2O4量子点/碳纳米管复合催化剂，实现了超小粒径NiFe2O4量子点在碳纳米管上的一步锚定。该复合催化剂解决了小粒径金属氧化物易团聚的难题，拥有的金属氧化物量子点可缩短催化反应的电子传递路径。此外，量子约束效应以及阳离子掺杂策略提高了催化剂的本征活性；其独特的三维结构进一步改善了催化剂的传质与电子传导过程。
徐能能告诉记者，从偶然的实验发现到探索其背后的科学研究价值，这是在无数次尝试与积累后，课题组取得的一次特别宝贵的收获，激发大家更多的研究能量和坚持。课题组通过合理的实验设计、反复的试验与验证，研究出NiFe2O4量子点与碳纳米管复合材料对氧还原和氧析出反应的催化机理，并通过密度泛函理论（DFT）验证出Ni作为活性位点与FeOx/CNTs的耦合提高了催化剂的反应活性，与实验数据一致。在此基础上，团队设计出基于泡沫镍的新型空气电极，提高了锌空电池稳定性（充放电循环大于800小时，电压差为0.62V）；同时，进一步引入碱性阴离子交换膜作为全固态电解质，开发出优异性能的柔性金属空气电池。据悉，本课题组已制备出大面积自支撑空气电极，同时结合学校纺织学科特色，有望实现柔性锌空、镁空电池在大规模可折叠、可穿戴能源设备领域的应用。
（课题组合照）
值得一提的是，乔锦丽教授团队还通过温和的水热法设计制备了基于MnO2纳米管等一系列的Fe/Co/Ni/La基缠绕或包覆CNT以及核-壳结构的双功能催化剂，实现了锌空电池的高功率密度、高容量密度以及高稳定性等特性，这些相关研究先后发表在Nanoscale， ACS Appl. Mater. Interfaces，Sci. Bull.，Catal. Today 以及Sci. Rep.等国内外知名期刊，并获得多项发明专利。这些前期的研究工作为本篇研究论文的发表奠定了扎实的理论基础和实验支撑。
论文链接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285518309212?via%3Dihub