锌空电池由于具有低成本(<10 $/kWh)、高能量密度(1086 Wh/kg)、低自放电率、环境友好等优势,被认为最有前途的电能储存技术之一。目前,锌空电池的空气电极主要采用Pt、Ir等贵金属基催化剂,其成本昂贵,且对锌空电池的充放电过程涉及的氧析出和氧还原双功能催化活性差。因此,开发具有高效双功能催化活性且价格低廉的非贵金属基催化剂对二次锌空电池的发展和商业化有重要的意义。
近日,团队在“Dual-active-site hierarchical architecture containing NiFe-LDH and ZIF-derived carbon-based framework composite as efficient bifunctional oxygen electrocatalysts for durable rechargeable Zn-air batteries”(2020, 399, 125718,https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.125718)工作中利用“沸石咪唑酯骨架结构材料(ZIF)”的衍生物与Ni、Fe双金属氢氧化物(NiFe-LDH)共同构建了一种具有多层次复合结构的催化剂。该材料充分利用了两种组元对氧还原和氧析出的高效催化活性,通过合理的结构、组成设计和不同离子之间的协同作用来提高其双功能催化活性和稳定性。ZIF原位生成的碳纳米管和负载的片状LDH与基底碳材料构建的多层次复合结构不仅利于反应物与产物的扩散传质,且能够有效避免催化活性位点之间的相互遮挡,使催化活性位点在材料表面充分暴露。该催化剂在碱性电解质中表现出与贵金属催化剂相当的氧还原与氧析出催化活性及更高的稳定性,并且二次锌空电池中显示出107.8 mW cm−2的放电功率密度和高达1800次稳定的充放电循环,其性能远超贵金属催化剂。这项工作为开发高性能二次锌空电池的双功能催化剂提供了一种更为简单有效的思路。