電化學(xué)尿素氧化反應(yīng)(UOR)在清潔能源轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存中是一種有前途的替代析氧反應(yīng)(OER)的方法，而鎳基催化劑又被認(rèn)為是一種很有前途的UOR電催化劑，使其在研究領(lǐng)域備受關(guān)注。 然而，在UOR過(guò)程中，由于鎳的自氧化反應(yīng)不可避免的阻礙了其有效性。 近日，武漢紡織大學(xué)的武明杰教授和加拿大工程院孫書(shū)會(huì)院士合作，通過(guò)設(shè)計(jì)一種界面化學(xué)調(diào)控策略，在泡沫鎳（NF）上構(gòu)建了自支撐的Ag-CoOOH@NiOOH高能界面異質(zhì)結(jié)構(gòu)用于高能效/快速充電的尿素輔助鋅-空氣電池。
圖1 尿素輔助ZABs的設(shè)計(jì)原理 首先，通過(guò)解耦空氣電極的功能，使其在單個(gè)電極中實(shí)現(xiàn)氧還原反應(yīng)（ORR）和尿素氧化反應(yīng)（UOR），而非氧還原反應(yīng)（ORR）和氧化反應(yīng)（OER）。而在尿素輔助鋅空氣電池（ZABs）中，陰極通過(guò)消耗尿素來(lái)恢復(fù)鋅陽(yáng)極，有效屏蔽了OER（圖1）。其次，通過(guò)設(shè)計(jì)高能異質(zhì)界面結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)控CoOOH的d帶中心，促進(jìn)UOR中間體與Co活性物質(zhì)之間的結(jié)合來(lái)優(yōu)化UOR動(dòng)力學(xué)。而Ag摻雜又促進(jìn)了-OH和-O異質(zhì)界面中的電子交換，導(dǎo)致強(qiáng)電子耦合和電荷再分配。Co d帶中心的下移降低了反應(yīng)中間體的吸附能，有利于電荷的快速轉(zhuǎn)移，具有比傳統(tǒng)電催化劑更好的UOR性能。 圖2 尿素輔助可充電ZABs性能測(cè)試 由于尿素對(duì)Co活性物質(zhì)的吸附能比OH*強(qiáng)，促使尿素比OH*更傾向于占據(jù)Co原子的活性位點(diǎn)，從而獲得更高的能量轉(zhuǎn)換效率。此外，由于在充電/放電過(guò)程中采用非氧化還原工藝，使帶有 Ag-CoOOH@NiOOH 電極的鋅尿素空氣電池在高電流密度（在50 mA cm-2下1000小時(shí)）下具有高效率和穩(wěn)定性。 最終，該自支撐的Ag-CoOOH@NiOOH高能界面異質(zhì)結(jié)構(gòu)在可充電的尿素輔助鋅-空氣電池中不僅使充電電壓更低，充放電能效率更高，而且還顯著增強(qiáng)了電池的循環(huán)壽命。因此該工作突出強(qiáng)調(diào)調(diào)控界面異質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要性，加深了對(duì)高能界面結(jié)構(gòu)在促進(jìn)UOR性能方面的認(rèn)識(shí)。 論文信息 A Rechargeable Urea-Assisted Zn-Air Battery With High Energy Efficiency and Fast-Charging Enabled by Engineering High-Energy Interfacial Structures Mingjie Wu, Yinghui Xu, Jian Luo, Siyi Yang, Gaixia Zhang, Lei Du, Huixia Luo, Xun Cui, Yingkui Yang, Shuhui Sun 文章的第一作者是武漢紡織大學(xué)的武明杰教授；通訊作者是武漢紡織大學(xué)的武明杰教授和加拿大工程院孫書(shū)會(huì)院士。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202410845
