本课题组多年来一直从事燃料电池、金属-空气电池及其关键材料（电催化剂和电解质隔膜）的研究工作。近年来，主要集中在非贵金属电催化剂（主要是过渡金属/氮共掺杂碳材料，即M-N-C）方面开展了系列的工作。已在J . Mater. Chem. A、ACS Appl. Mater. Inter.、J. Power Sources、Electrochim. Acta、Int. J. Hydrogen Energ.等SCI/EI期刊上发表研究论文20余篇，申请国家发明专利13件，其中已授权3件。主持国家自然科学基金青年项目一项。
近期具体研究成果如下：
1. 氮掺杂碳封装过渡金属化合物电催化剂的构筑
由于不同组分间的协同耦合作用，石墨碳封装过渡金属或其化合物核壳型电催化剂表现出优异的氧还原（ORR）和析氧反应（OER）催化活性。基于此，本课题组基于固相热解反应或者气相沉积等方法制备出了多种形貌的碳封装过渡金属复合材料，如封装Fe及其化合物的竹节状碳纳米管（J. Alloy. Compd., 828(2020) 154435），封装FeCo合金的碳纳米管/石墨片复合材料（J. Power Sources, 449(2020) 227512）以及封装Co纳米颗粒的“电缆型“复合材料（Electrocatalysis, 10 (2019) 277-286）。
图1.竹节状碳纳米管封装铁及其化合物的复合型电催化剂
2. 具有多级孔结构的M-N-C电催化剂的合成
理想的电催化剂除了应具有高效的催化活性中心来促进完成整个电催化过程之外，还必须使得这些活性位点和反应物容易接触从而完成电催化过程。因此，应提高M-N-C材料的比表面积以增大活性位点的分布密度，同时建立有效的气液传质通道来利于三相界面的构建。基于此，本课题组采用不同的模板法制备出系列具有多级孔结构及高比表面的M-N-C电催化剂，如离子凝胶模板（Electrochim. Acta, 265 (2018) 221-231）、NaCl模板（Int. J. Hydrogen Energ., 43 (2018) 5163-5174）以及碳载体模板（Electrocatalysis, 10 (2019) 72–81; Int. J. Hydrogen Energ., 43 (2018) 16230 -16239）。
图2.不同模板法合成M-N-C电催化剂示意图
3. MOFs衍生M-N-C电催化剂的合成
MOFs因其自身具有丰富的金属元素、杂原子和碳元素以及丰富的孔道结构，使之成为构筑M-N-C纳米电极材料的理想组成与结构前驱体。本课题组结合一维碳纳米管优异的导电性及ZIF-67丰富的Co/N含量，通过原位生长法先合成碳纳米管交联的ZIF-67前驱体，再经一步高温碳化可得到具有优异ORR/OER双催化功能Co/CoOx@NC-CNTs催化剂（Electrochim. Acta, 292 (2018) 707-717）；此外，本科组还以ZIF-8为自模板及锚定剂合成制备了竹节状碳纳米管封装铁及其化合物的复合型电催化剂（J. Alloy. Compd., 828(2020) 154435）。
图3. 碳纳米管/ZIF-67衍生Co/CoOx@NC-CNTs催化剂制备示意图
4. 锌-空气电池研究
由于具有高理论能量密度（1084 Wh kgZn-1和6136 Wh L-1）、独特的半封闭式系统、平稳的放电电压以及使用寿命长等优点，锌-空气电池被广泛认为是最有前途的储能装置之一。近年来，本科组以上述合成的系列材料为空气电极催化剂组装液相及柔性锌-空气电池（J. Alloy. Compd., 828(2020) 154435; J. Power Sources, 449(2020) 227512; Int. J. Hydrogen Energ., 45(2020) 9512-9521; Electrocatalysis, 10 (2019) 277-286），目前锌-空气电池功率密度最大可达到200 mW cm-2，循环寿命>100小时。
图4. 二次锌-空气电池及柔性电池性能结果图
致谢：
国家自然科学基金青年项目（21506086）；
朱平副教授，赵新生教授，杨峥、陈晓文、高京夏等研究生及本科生。
