清华大学张强教授Adv. Mater.: 不对称空气阴极设计增强高性能锌空气电池中的界面电催化反应
在锌空气电池(ZABs)中,空气阴极由亲水性基底上的氧电催化剂和疏水性气体扩散层(GDL)组成,以促进氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)。然而,在空气阴极中,涉及气体的电化学反应主要发生在固体电催化剂、液体电解质和氧之间的多相界面区域,这意味着只有界面区域的可接触电催化剂才能完全发挥其作用。因此,要有效利用具有高内在活性的电催化剂,就必须要有一个具有丰富而稳定的电催化活性位点多相界面。尽管如此,空气阴极的界面工程却很少受到重视。传统的空气阴极通过滴注或喷涂的方法在疏水GDL表面加载亲水性双功能电催化剂层,以构建多相反应界面,然而,这种阴极结构提供的是一个近2D的多相界面,它被限制在电催化剂层和GDL之间的狭窄空间内。由于这一二维界面仅能接触到位于GDL表面附近的一小部分电催化剂,因此大多数催化位点不能做出实际贡献,而且即使是功能性的活性位点也存在着反应界面的接触不良,在氧化还原反应过程中容易落入电解质中。
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为了克服二维反应界面的局限性,清华大学张强教授课题组首次提出了一种增维界面策略,其核心思想是将原来的二维多相界面向GDL方向进行扩展,在GDL内部构造一个三维多相反应界面。与局限于GDL表面的2D界面相比,3D反应界面由于其扩展的相互连接界面结构,因此可以显著增加活性中心的数量,即使一些电催化剂脱落并在三维界面区域内,它们仍然能够发挥作用。在此基础上,作者设计出一种不对称的空气阴极,以增加活性中心,加速传质,并产生动态稳定的反应界面。利用NiFe层状双氢氧化物作为电催化剂,基于不对称阴极的ZABs可提供较小的充放电电压间隙(5.0 mA cm?2时为0.81 V)、高功率密度和优异的循环稳定性(超过2000圈)。