辽科大在基于电子态调控氧反应催化剂性能研究领域取得新进展

近日，辽宁科技大学化学工程学院辽宁省“能源材料与电化学”重点实验室安百钢教授团队的研究成果 “Modest modulation on the electronic structure of Co9S8 by vanadium doping for high-performance rechargeable Zn–Air batteries”在《Applied Catalysis B：Environmental》在线发表。论文第一作者为2022级博士研究生吴琳，导师安百钢教授为通讯作者，张涵博士和李莉香教授为共同通讯作者。该项研究工作得到了国家自然科学基金项目、兴辽英才计划项目以及辽宁省能源材料与电化学重点实验室的支持。

氧反应是质子膜燃料电池、金属-空气电池和水电解中的动力学控制步骤，而高性能氧反应催化剂则成为发展上述系统的关键技术之一。金属-空气电池需要催化剂具有氧还原（ORR）和氧析出（OER）双重功能，而如何实现这种双功能的优化和平衡更具有挑战性。近期，安百钢教授团队通过一种创新双溶剂方法制备钒掺杂的V-Co9S8催化剂。该方法可以实现在Co9S8纳米粒子晶格中原子水平的钒掺杂，从而调控催化剂电子构型（图1）。研究发现，适量的钒掺杂水平，即对催化剂电子结构的温和调控能够优化Co的自旋态，平衡反应过程中氧中间体的吸附/解吸，从而加速氧反应动力学（图2）。实验研究证实，使用V-Co9S8作为空气阴极催化剂组装的锌-空气电池可提供超高功率密度（345 mW cm-2）、能量密度（814 mAh g Zn-1）和在5 mA cm-2下循环840次的非凡稳定性（图3）。（供稿单位：化工学院 图片来源：化工学院） 

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.122250

图 1. 双溶剂法制备V-Co9S8催化剂微观形貌、结构和元素分布图

图2. 催化剂紫外光电子能谱、电子顺磁共振谱、有效磁矩、相对活性、吸附中间体模型和基于两种模型的反应自由能图。

图3. 锌-空气电池电化学性能图