研究人员发现调控碳载体氮物种推动海水锌-空气电池实用化
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8月29日，记者从海南大学获悉，该校热带海洋工程材料及评价全国重点实验室副教授饶鹏团队研究发现，在碳载体上富集吡啶氮位点构建具有氯离子排斥能力的负电荷界面，能够保持海水锌-空气电池中碳载体的结构完整性，防止催化剂整体失活。相关研究成果发表在《德国应用化学》上。
饶鹏介绍，海水锌-空气电池因其低成本、高功率密度、环境友好性而展现出巨大潜力。然而，氧还原反应动力学迟缓和海水中氯离子吸附腐蚀严重制约其实际应用。氧还原反应动力学迟缓会导致电池功率密度不足，能量转换效率降低，海水中氯离子吸附腐蚀使电池容量快速衰减，降低电池效率。
与以往只关注活性位点本身的耐氯离子腐蚀能力而忽略了载体的耐腐蚀能力相比，此次研究中，团队提出了调控碳载体氮物种策略，通过调控具有负电荷特性的吡啶氮含量，利用其电子特性抑制氯离子吸附，从而显著提升催化剂在海水电解质中的氧还原反应活性和耐久性。在实验过程中，团队通过酶诱导策略富集吡啶氮，在合成催化剂前驱体时，加入溶菌酶作为氮化剂。随后在热解的过程中，附着在前驱体表面的溶菌酶不仅有效地捕获了铁原子，防止其聚集，还提供了丰富的氮源，促进吡啶型氮的形成。最终得到铁单原子锚定的高吡啶氮掺杂碳催化剂，成功在载体上构建具有氯离子排斥能力的负电荷界面。
研究结果表明，由于金属-4个吡啶氮配位结构具有显著的局域负电荷分布，有效抑制了氯离子的吸附与腐蚀。得益于铁原子与四个吡啶氮配位形成的高活性且稳定的催化活性中心，所制备催化剂在海水电解质中展现出优异的氧还原催化活性。氯离子排斥保护层的构建不仅提升了催化剂中金属活性位点抵御氯离子干扰的性能，还从根本上增强了碳载体自身的抗腐蚀性能，推动了海水锌-空气电池的实际应用，为其他涉及腐蚀性电解质的能源器件设计提供重要借鉴。
饶鹏表示，本次研究首次聚焦于氯离子对碳载体本身的腐蚀，通过碳载体的氮物种构型构建高负电荷界面，利用静电排斥原理抑制氯离子吸附，从根本上抑制碳基质的腐蚀，为海水锌-空气电池的高效稳定运行提供了全新的解决方案。
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