鋅-空氣二次電池具有能量密度高、環(huán)境友好、成本低等優(yōu)點，其中析氧反應(yīng)(OER)決定了充電效率。近年來，開發(fā)高效的氧電催化劑被認(rèn)為是推動鋅-空氣電池發(fā)展的關(guān)鍵。過渡金屬氧化物是重要的氧電催化劑。然而，傳統(tǒng)的吸附質(zhì)演化機(jī)制會引起過渡金屬的價態(tài)變化甚至表面重構(gòu)，從而導(dǎo)致鋅離子電池的循環(huán)性能下降。為了解決這個問題，精確設(shè)計先進(jìn)的氧電催化劑至關(guān)重要。最近，有報告表明，硅化合物在堿性介質(zhì)中表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性，并具有最佳的氫吸附自由能，其可作為有效吸附/解吸氫的理想質(zhì)子受體。
基于此，南京信息工程大學(xué)卜云飛、盧千和科廷大學(xué)邵宗平、南方科技大學(xué)葉財超等提出了一個涉及質(zhì)子受體的晶格氧機(jī)制，以克服鋅-空氣電池在OER過程中的不良行為。具體而言，研究人員以四乙氧基硅烷為硅源，采用一步溶出法在PrBa0.5Ca0.5Co2O5+δ(PBCC)鈣鈦礦納米纖維表面引入穩(wěn)定的BaCaSiO4(BCS)納米顆粒。實驗結(jié)果表明，所得到的BCS-PBCC在1.0 M KOH中僅需300 mV的OER過電位就能產(chǎn)生10 mA cm-2的電流密度，起始電位也低至1.45 V。同時，Si的摻雜量也顯著影響Tafel斜率，Tafel斜率隨摻Si量的增加而減小，這表明BCS克服了OER過程中的去質(zhì)子化障礙。此外，密度泛函理論(DFT)計算表明，引入BCS后，O 2p能帶中心向費米能級方向移動，促進(jìn)了晶格氧的釋放，有利于LOM的形成。BCS在M2位點的獨特羥基-硅構(gòu)型(OH-Si-O-Ca2+/Ba2+-O-Si-OH)極大地加速了PBCC鈣鈦礦(M1位)表面的OH*去質(zhì)子化過程，降低了質(zhì)子轉(zhuǎn)移過渡態(tài)的自由能。作為概念驗證，研究人員用BCS-PBCC組裝的鋅-空氣電池在50 mA cm-2下的充電電壓為1.93 V，在5 mA cm-2下的充放電電壓保持穩(wěn)定超過150小時。綜上，該項研究提供了一種可擴(kuò)展的方法來開發(fā)具有質(zhì)子受體構(gòu)型的高效OER電催化劑，并為設(shè)計用于可充電鋅-空氣電池和水分解裝置的高效OER電催化劑提供了指導(dǎo)。Accelerated deprotonation with a hydroxy-silicon alkali solid for rechargeable zinc-air batteries. Nature Communications, 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-42728-y
