通讯作者:张强、李博权通讯单位:清华大学、北京理工大学研究背景全球日益增长的能源需求推动了现代社会的快速发展。自19世纪60年代的第二次工业革命以来,电能已经成为人类社会不可缺少的一部分,也是现代能源网络的“货币”。然而,电力很难直接储存,这严重限制了在非电网条件下电能的大规模应用。在各种储能技术中,电化学储能由于其能量密度较高、寿命长、自放电较低,得到了广泛的重视和应用。因此,发展高效电化学储能系统非常重要,尤其是对新兴的非电网领域的应用,如电动汽车和便携式电子设备。在目前的电化学储能系统中,锂离子电池(LIB)自20世纪90年代首次商业化以来一直占据了主要比例。然而,经过30年的发展,LIB技术仍不能满足不同应用场景的需求。关于其有限的能量密度(通常低于350 W h kg-1)、电极材料(特别是钴)的稀缺性和安全风险等问题,尤其是高活性的电极材料和易燃的有机电解质带来了不可忽略的热失控和易爆炸的安全风险。另一方面,可充电金属-空气电池中的锌-空气电池(ZABs),得益于其众多优点,有望解决上述问题。具体来说,可充电ZABs具有较高的理论能量密度(1086 W h kg-1,含氧)、高丰度的负极材料(3.00 $/kgZn)和使用安全的水系电解质等优点。因此,水系金属-空气电池被认为是下一代储能装置的潜在替代者之一,以满足各种应用的多元化能源需求。根据非贵金属基双功能OER/ORR电催化剂的设计原理和功能成分,本文系统地总结了这类催化剂的最新研究进展。具体地说,单组分和复合双功能电催化剂都有各自的优点,在电催化剂体系的基础上强调了本征活性调节和活性位点的整合(图 1)。双功能电催化剂的电催化性能,可以用线性扫描伏安法(LSV)曲线记录到的ORR活性(E1/2,半波电流密度)、OER活性(E10,达到10 mA cm-2电流密度的电位),以及其整体的双功能性能(ΔE,E1/2和E10之间的差值)。
图1.(a) 单组分和 (b) 复合双功能电催化剂的结构示意图。成果简介
OER和ORR构成了许多重要的能量储存或转换技术的核心过程。然而,催化反应中迟缓的氧化还原反应动力学和对贵金属基电催化剂的严重依赖,严重限制了相关器件中的能量转换效率。在过去十年里,开发高性能非贵金属基双功能ORR和OER电催化剂已经引起了全世界科研工作者们的广泛关注,并取得了许多重要的研究进展。本综述通过强调本征活性调节和活性位点的整合策略,系统地阐述了获得高性能非贵金属基双功能氧电催化剂的设计原则。本文进一步对所报道的双功能电催化剂进行了统计分析,揭示了其组成-性能关系,并进一步指导了对新兴候选催化剂的探索。最后,本综述提出了先进双功能氧电催化剂和可充电金属-空气电池的发展前景。来自清华大学的张强教授与北京理工大学的李博权助理教授在国际知名期刊Chem. Soc. Rev. 上发表了题为“Recent advances of noble-metal-free bifunctional oxygen reduction and evolution electrocatalysts”的综述文章。图文导读1. 单组分双功能电催化剂单组分双功能氧电催化剂主要由同时具有ORR和OER电催化活性的单活性组分组成。一方面,单组分双功能电催化剂的材料成分和化学合成都很简单,同时具有较好的双功能性能。另一方面,它们可以作为一个基本的模型系统来揭示原子水平上活性位点的结构-性能关系,也为进一步设计先进的双功能电催化剂奠定了基础。1.1 碳基电催化剂考虑到碳基材料具有较大的比表面积、高的电子导电率和多层级多孔结构,碳基材料是双功能氧催化剂的理想候选材料。此外,碳基材料的可调结构为提高本征电催化活性和深入揭示结构-性能关系提供了广泛的机遇。在这部分内容中,作者回顾了三种碳基双功能电催化剂,其活性位点主要包括异掺杂原子、拓扑缺陷和M-N-C单原子位点,并讨论了它们的合成策略、独特的优点和电化学性能。