在过去的几十年中，氧气的电催化（包括氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)）在能量转换和储存装置中起着至关重要的作用。例如，燃料电池中的ORR可用于为电动汽车提供动力，这比传统的内燃机更高效、更环保。水分离装置中的OER能够在阳极产生高纯度的氧气。可充电金属空气电池中的可逆ORR/OER过程有可能用于智能电网储能。然而，为了实现与氧相关的电化学装置的高效操作，开发用于加速反应速率和降低反应过电位的高活性电催化剂至关重要。高效氧还原反应和析氧反应(OER)过程均高度依赖于高性能电催化剂的合理设计和合成。来自澳大利亚格里弗斯大学的张山青教授等人综合表征和密度泛函理论计算相结合，以验证结晶度和氧空位水平对钴(II)氧化物(CoO)的ORR和OER活动的影响。本文采用一种简便可控的真空煅烧策略，将氢氧化钴转化为氧缺陷的非晶态-晶态CoO(即ODAC-CoO)纳米片。通过仔细控制结晶度和氧空位水平，最佳的ODAC-CoO样品与纯晶体CoO样品相比，表现出显著增强的ORR和OER电催化活性。以ODAC-CoO为阴极材料组装的液态和准固态锌-空气电池具有显著的比容量、功率密度和优异的循环稳定性，性能优于基准铂/碳+铱催化剂组成的电池。这项研究从理论上提出并从实验上证明了：同时引入非晶结构和氧空位可能是实现高性能电催化ORR和OER的高效途径。相关论文以题为Engineering Crystallinity and Oxygen Vacancies of Co(II) Oxide Nanosheets for High Performance and Robust Rechargeable Zn–Air Batteries发表在Advanced Functional Materials。
https://doi.org/10.1002/adfm.202101239
图1. CoO的氧缺陷和CoO模型的状态密度。d)在平衡电势为1.23V时的自由能图。
图2. a)制备ODAC-CoO纳米片的示意图。b)制备样品的XRD图谱。c）ODAC-Co-30的扫描电镜图像和 d）透射电镜图像
图3。O 1s XPS光谱，适用于a) ODAC-CoO-15，b) ODAC-CoO-30和c) ODAC-CoO-45。d)ODAC-CoO-15、ODAC-CoO-30和ODAC-CoO-45的Co2p XPS光谱。
图4。a) LSV曲线和b)各种催化剂在O2饱和的0.1 m氢氧化钾中并且在1600转/分钟时的相应塔菲尔曲线。c)ODAC-CoO-30在不同旋转速率下的ORR LSV曲线
图5。a)可充电液体ZAB的示意图。b)组装液体ZABs的OCV图。c）液态氮硼化合物的放电和充电极化曲线总之，本文已经成功开发了一种简单有效的真空煅烧策略，用以将非晶相和氧空位同时引入超薄CoO纳米片。由于良好定制的结晶度和适度的氧空位水平(通过XPS检测为47.7%)，制备的ODAC-CoO-30样品对ORR和OER都表现出优异的活性和稳定性。此外，当氧化钴-30用作可充电液体和QSS锌酸盐的阴极电催化剂时，获得了比贵金属基铂/碳+铱催化剂更高效和稳定的电池性能。本研究提供了一种简单高效的方法，通过设计结晶度和调整氧空位浓度来提高电催化性能。设想所提出的真空煅烧策略可以广泛应用于其它过渡金属氧化物，以产生无定形结构和氧空位，从而用于能量储存和转化。（文：SSC）
