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近日，資源與材料學(xué)院伊廷鋒教授團(tuán)隊(duì)在鋅空氣電池領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，研究成果“Enhanced bifunctional oxygen electrocatalysis by synergistic active heterostructure design (協(xié)同活性異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增強(qiáng)雙功能氧電催化)”發(fā)表于能源材料領(lǐng)域國際頂級(jí)刊物Advanced Energy Materials(中科院一區(qū)，影響因子26)。材料科學(xué)與工程專業(yè)博士研究生李桃桃為本文的第一作者，我校伊廷鋒教授和四川大學(xué)張千玉副教授為論文通訊作者，東北大學(xué)為第一完成單位。

日益嚴(yán)重的能源危機(jī)和環(huán)境問題促使研究人員開發(fā)高效的能源儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換設(shè)備，以有效利用新的可再生能源。可充電鋅空氣電池具有理論能量密度高、成本低、安全性能可靠、可長期充電等優(yōu)點(diǎn)，是下一代儲(chǔ)能系統(tǒng)的理想候選材料。然而，由于空氣電極上的電化學(xué)反應(yīng)氧還原反應(yīng)(ORR)和析氧反應(yīng)(OER)速度較慢，涉及多個(gè)質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移過程以及含氧中間產(chǎn)物的吸附/解吸，因此反應(yīng)動(dòng)力學(xué)慢、能量障礙高，嚴(yán)重阻礙了鋅空氣電池的商業(yè)開發(fā)。盡管貴金屬基(Pt/Ru 基)電催化劑具有優(yōu)異的 ORR/OER 催化活性，但其稀缺性和高成本阻礙了其大規(guī)模商業(yè)化。因此，迫切需要開發(fā)低成本、高效、耐用的非貴金屬雙功能氧電催化劑。

因此，該研究團(tuán)隊(duì)通過引入碳點(diǎn)(CDs)來輔助調(diào)節(jié)單相雙金屬氧化物(CoFe₂O₄)和金屬位點(diǎn)(Co)，從而構(gòu)建了穩(wěn)定高效的雙功能電催化劑。匹配良好的晶格建立了一個(gè)相互作用界面，促進(jìn)了 Co 和 CoFe₂O₄之間的動(dòng)態(tài)電子轉(zhuǎn)移，并重新分配了局部電荷密度，以滿足 ORR 和 OER 的不同需求。CDs 的引入有效地結(jié)合了活性位點(diǎn)并改變了電子密度，即 Co²⁺被部分還原成 Co 納米粒子(NPs)，Co NPs 引發(fā)的電子轉(zhuǎn)移調(diào)節(jié)了 CoFe₂O₄位點(diǎn)上氧中間產(chǎn)物的吸附能，加速了 *O2 向 *OOH 的轉(zhuǎn)化，從而促進(jìn)了最終產(chǎn)物的形成和釋放，并因此降低了能障。這種獨(dú)特的 CDs 輔助衍生異質(zhì)結(jié)構(gòu)大大提高了FeCoCDs/CSs 催化劑的高活性雙功能性能，優(yōu)于大多數(shù)已報(bào)道的催化劑。用 FeCoCDs/CSs 組裝的鋅空氣水充電電池表現(xiàn)出令人印象深刻的性能，比容量高達(dá) 821.59 mAh g^-1，在20 mA cm^-2條件下充放電循環(huán)持續(xù)時(shí)間為750 h。使用 FeCoCDs/CS 組裝的 FZAB 即使在-40~60^oC 的寬溫度范圍內(nèi)也能超穩(wěn)定運(yùn)行。由于CDs有效地調(diào)節(jié)了 Co/FeCo₂O₄異質(zhì)界面，它誘導(dǎo)了局部電荷的重新分布，從而促進(jìn)了電化學(xué)反應(yīng)過程中的電子和質(zhì)量轉(zhuǎn)移，提高了催化活性，并為優(yōu)化能源設(shè)備和能源轉(zhuǎn)換碳基催化劑工程提供了新的見解。

FeCoCDs/CSs的相應(yīng)的理論計(jì)算示意圖