近日，我院刘易斯博士团队在金属空气电池氧电催化剂研究方面取得重要进展。相关研究成果以“Host–Guest Engineering of Dual-Metal Nitrogen Carbides as Bifunctional Oxygen Electrocatalysts for Long-Cycle Rechargeable Zn-Air Battery”为题发表在Carbon Energy期刊上。Carbon Energy是由温州大学与Wiley联合出版的高水平国际学术期刊，聚焦清洁能源、光电催化的“碳增”合成、新型碳制造、碳减排以及碳催化等领域，影响因子为19.5，中科院一区，大类：Materials Science小类：Materials Science (miscellaneous)排名：7/196。刘易斯博士为该论文第一作者，杜岳博士为共同通讯作者，湖北师范大学为第一通讯单位。上述研究成果得到了国家自然科学基金和湖北省自然科学基金的资助。
过度依赖化石燃料加剧了能源危机，导致环境污染，促使人们努力研究更可持续和高效的能源转换和储存设备，如燃料电池和金属空气电池。开发高效的双功能氧电催化剂，包括氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER），以促进反应动力学，以优化这种可持续能源技术的效率。贵金属电催化剂，如Pt和RuO2，被广泛认为具有更好的催化活性，然而，它们的高价格和低耐久性阻碍了它们的广泛商业应用。因此，新型的可充电金属-空气电池需要低成本的替代品，兼具有优异的氧电催化活性和高稳定性。
刘易斯博士团队针对 Me/Nx/C电催化剂活性位点的高密度高分散制备难题，利用MIL-88B独特的空腔-孔结构优势，作为主体模板封装金属前驱体CoPP（客体分子），不仅能利用孔道有效孤立金属前驱体以避免热解过程中金属团聚和快速氧化，并且金属客体在主体腔内也能起到支撑孔道结构的作用，防止热解导致结构坍塌。制备得到的三维多孔氮掺杂碳限域Co3Fe7纳米合金颗粒复合材料（Co3Fe7/NC）具有高密度高分散双金属原子（FeN2-CoN4）活性位点，提高了催化剂的本征双功能催化（ORR与OER）活性（其ORR半波电位达0.86 V，在10 mA cm⁻²时的 OER过电位仅为1.53 V）。通过理论计算与原位拉曼表征相结合共同证实了其氧电催化机制。此外，Co3Fe7/NC作为金属空气电池阴极催化剂，表现出高比容量和超长（> 1400 h）的循环稳定性，并且在柔性锌空气电池中也展现出优异的柔韧性能。这项工作为设计高效的Me/Nx/C催化剂开辟了新的机遇，这可能推动燃料电池/金属空气电池产业的发展。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.682
作者简介：
刘易斯，博士，副教授，硕士生导师，湖北省楚天学子。近几年主持国家自然科学基金青年项目、湖北省自然科学基金项目（青年、面上）、国家重点实验室开放课题等。刘易斯博士团队主要从事电催化材料以及金属空气电池等相关领域的研究，已在Carbon Energy, Nano Energy, Nano Research, Chemical Engineering Journal, Small, ACS Applied Materials& Interfaces, Carbon等国际知名SCI期刊发表论文50余篇，其中 ESI 高被引论文3篇，申请国家发明专利5项。