8月29日，記者從海南大學(xué)獲悉，該校熱帶海洋工程材料及評(píng)價(jià)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副教授饒鵬團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，在碳載體上富集吡啶氮位點(diǎn)構(gòu)建具有氯離子排斥能力的負(fù)電荷界面，能夠保持海水鋅-空氣電池中碳載體的結(jié)構(gòu)完整性，防止催化劑整體失活。相關(guān)研究成果發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》上。
饒鵬介紹，海水鋅-空氣電池因其低成本、高功率密度、環(huán)境友好性而展現(xiàn)出巨大潛力。然而，氧還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)遲緩和海水中氯離子吸附腐蝕嚴(yán)重制約其實(shí)際應(yīng)用。氧還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)遲緩會(huì)導(dǎo)致電池功率密度不足，能量轉(zhuǎn)換效率降低，海水中氯離子吸附腐蝕使電池容量快速衰減，降低電池效率。
與以往只關(guān)注活性位點(diǎn)本身的耐氯離子腐蝕能力而忽略了載體的耐腐蝕能力相比，此次研究中，團(tuán)隊(duì)提出了調(diào)控碳載體氮物種策略，通過(guò)調(diào)控具有負(fù)電荷特性的吡啶氮含量，利用其電子特性抑制氯離子吸附，從而顯著提升催化劑在海水電解質(zhì)中的氧還原反應(yīng)活性和耐久性。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)通過(guò)酶誘導(dǎo)策略富集吡啶氮，在合成催化劑前驅(qū)體時(shí)，加入溶菌酶作為氮化劑。隨后在熱解的過(guò)程中，附著在前驅(qū)體表面的溶菌酶不僅有效地捕獲了鐵原子，防止其聚集，還提供了豐富的氮源，促進(jìn)吡啶型氮的形成。最終得到鐵單原子錨定的高吡啶氮摻雜碳催化劑，成功在載體上構(gòu)建具有氯離子排斥能力的負(fù)電荷界面。
研究結(jié)果表明，由于金屬-4個(gè)吡啶氮配位結(jié)構(gòu)具有顯著的局域負(fù)電荷分布，有效抑制了氯離子的吸附與腐蝕。得益于鐵原子與四個(gè)吡啶氮配位形成的高活性且穩(wěn)定的催化活性中心，所制備催化劑在海水電解質(zhì)中展現(xiàn)出優(yōu)異的氧還原催化活性。氯離子排斥保護(hù)層的構(gòu)建不僅提升了催化劑中金屬活性位點(diǎn)抵御氯離子干擾的性能，還從根本上增強(qiáng)了碳載體自身的抗腐蝕性能，推動(dòng)了海水鋅-空氣電池的實(shí)際應(yīng)用，為其他涉及腐蝕性電解質(zhì)的能源器件設(shè)計(jì)提供重要借鑒。
饒鵬表示，本次研究首次聚焦于氯離子對(duì)碳載體本身的腐蝕，通過(guò)碳載體的氮物種構(gòu)型構(gòu)建高負(fù)電荷界面，利用靜電排斥原理抑制氯離子吸附，從根本上抑制碳基質(zhì)的腐蝕，為海水鋅-空氣電池的高效穩(wěn)定運(yùn)行提供了全新的解決方案。