高效雙功能催化劑實(shí)現(xiàn)高性能鋅-硝酸鹽電池可持續(xù)儲(chǔ)能
鋅-硝酸鹽電池是一種利用鋅和硝酸根離子氧化還原電勢(shì)差來釋放電能的一次不可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)。由香港城市大學(xué)（城大）化學(xué)家共同領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，通過引入一種創(chuàng)新催化劑，開發(fā)出一種高性能且可充電的鋅-硝酸鹽/乙醇電池。他們成功設(shè)計(jì)並合成了一種高效的四苯基卟啉（tpp）修飾異質(zhì)相銠銅合金金屬烯（RhCu M-tpp）。這種雙功能催化劑在中性介質(zhì)中的電催化硝酸鹽還原反應(yīng)（NO3RR）和乙醇氧化反應(yīng)（EOR）中都表現(xiàn)出卓越的能力，克服了傳統(tǒng)金屬基固體催化劑的單一功能局限性，為未來可持續(xù)儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供具價(jià)值的參考。
領(lǐng)導(dǎo)這次研究的城大化學(xué)系范戰(zhàn)西教授指出其重要性：「這項(xiàng)研究不僅突出了分子-金屬接力催化機(jī)制對(duì)電催化硝酸鹽還原為氨的重要意義，而且提供了一個(gè)多功能電池樣機(jī)以揭示金屬基雜化電化學(xué)系統(tǒng)在高性能、可持續(xù)能量儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換應(yīng)用上的優(yōu)勢(shì)?！?/p>
范教授續(xù)闡述這次研究的獨(dú)特性，他指出所製備的RhCu M-tpp催化劑打破了傳統(tǒng)銅基催化劑在中性介質(zhì)中需要較負(fù)過電位才能高效轉(zhuǎn)化硝酸鹽為氨的難題。此外，基於所製備RhCu M-tpp面向電催化硝酸鹽還原反應(yīng)和電催化乙醇氧化反應(yīng)的優(yōu)異雙功能性，成功構(gòu)建了一種可充電的鋅-硝酸鹽/乙醇電池以解決傳統(tǒng)鋅-硝酸鹽一次原電池的可充電性差問題。
再者，這次研究揭示了一種獨(dú)特的分子-金屬接力催化機(jī)制，即硝酸鹽會(huì)在tpp上首先還原為亞硝酸鹽，其後亞硝酸鹽在金屬位點(diǎn)進(jìn)一步還原為氨，驗(yàn)證了分子表面改性以增強(qiáng)納米金屬電化學(xué)催化硝酸鹽還原性能的可行性。
正極催化劑的活性對(duì)鋅-硝酸鹽電池的性能至關(guān)重要。然而，目前使用的銅基催化劑存在局限性。它們需要高度負(fù)的外加電位，並且質(zhì)子吸附較弱，導(dǎo)致電流密度低和氨產(chǎn)率低。此外，這些催化劑不適合電催化析氧反應(yīng)，導(dǎo)致電池不可充電，循環(huán)壽命極短。
為了解決這些問題，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了超薄雙金屬RhCu金屬，以降低銅的能壘。經(jīng)過多次嘗試，他們發(fā)現(xiàn)用一種稱為tpp的小分子改性RhCu金屬烯的表面，可以顯著提高硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氨的效率，而不會(huì)影響其金屬基體乙醇氧化性能。因此，這一突破提高了鋅-硝酸鹽電池的整體性能。
是次研究結(jié)果不僅為構(gòu)建高性能鋅基混合能源系統(tǒng)提供了有效的解決方案，而且為未來催化劑設(shè)計(jì)向多功能、環(huán)保型裝置提供了有價(jià)值的見解。
上述研究成果已於科學(xué)期刊《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上發(fā)表，題為 <Constructing molecule-metal relay catalysis over heterophase metallene for high-performance rechargeable zinc-nitrate/ethanol batteries＞。
如有查詢，請(qǐng)聯(lián)絡(luò)城大化學(xué)系范戰(zhàn)西教授（電郵：[email protected]）。