高效雙功能催化劑實現(xiàn)高性能鋅-硝酸鹽電池可持續(xù)儲能
鋅-硝酸鹽電池是一種利用鋅和硝酸根離子氧化還原電勢差來釋放電能的一次不可充電儲能系統(tǒng)。由香港城市大學（城大）化學家共同領導的研究團隊，通過引入一種創(chuàng)新催化劑，開發(fā)出一種高性能且可充電的鋅-硝酸鹽/乙醇電池。他們成功設計并合成了一種高效的四苯基卟啉（tpp）修飾異質(zhì)相銠銅合金金屬烯（RhCu M-tpp）。這種雙功能催化劑在中性介質(zhì)中的電催化硝酸鹽還原反應（NO3RR）和乙醇氧化反應（EOR）中都表現(xiàn)出卓越的能力，克服了傳統(tǒng)金屬基固體催化劑的單一功能局限性，為未來可持續(xù)儲能系統(tǒng)的設計提供具價值的參考。
領導這次研究的城大化學系范戰(zhàn)西教授指出其重要性：“這項研究不僅突出了分子-金屬接力催化機制對電催化硝酸鹽還原為氨的重要意義，而且提供了一個多功能電池樣機以揭示金屬基雜化電化學系統(tǒng)在高性能、可持續(xù)能量儲存和轉換應用上的優(yōu)勢。”
范教授續(xù)闡述這次研究的獨特性，他指出所制備的RhCu M-tpp催化劑打破了傳統(tǒng)銅基催化劑在中性介質(zhì)中需要較負過電位才能高效轉化硝酸鹽為氨的難題。此外，基于所制備RhCu M-tpp面向電催化硝酸鹽還原反應和電催化乙醇氧化反應的優(yōu)異雙功能性，成功構建了一種可充電的鋅-硝酸鹽/乙醇電池以解決傳統(tǒng)鋅-硝酸鹽一次原電池的可充電性差問題。
再者，這次研究揭示了一種獨特的分子-金屬接力催化機制，即硝酸鹽會在tpp上首先還原為亞硝酸鹽，其后亞硝酸鹽在金屬位點進一步還原為氨，驗證了分子表面改性以增強納米金屬電化學催化硝酸鹽還原性能的可行性。
正極催化劑的活性對鋅-硝酸鹽電池的性能至關重要。然而，目前使用的銅基催化劑存在局限性。它們需要高度負的外加電位，并且質(zhì)子吸附較弱，導致電流密度低和氨產(chǎn)率低。此外，這些催化劑不適合電催化析氧反應，導致電池不可充電，循環(huán)壽命極短。
為了解決這些問題，研究團隊開發(fā)了超薄雙金屬RhCu金屬，以降低銅的能壘。經(jīng)過多次嘗試，他們發(fā)現(xiàn)用一種稱為tpp的小分子改性RhCu金屬烯的表面，可以顯著提高硝酸鹽轉化為氨的效率，而不會影響其金屬基體乙醇氧化性能。因此，這一突破提高了鋅-硝酸鹽電池的整體性能。
是次研究結果不僅為構建高性能鋅基混合能源系統(tǒng)提供了有效的解決方案，而且為未來催化劑設計向多功能、環(huán)保型裝置提供了有價值的見解。
上述研究成果已于科學期刊《美國國家科學院院刊》（PNAS）上發(fā)表，題為 <Constructing molecule-metal relay catalysis over heterophase metallene for high-performance rechargeable zinc-nitrate/ethanol batteries＞。
如有查詢，請聯(lián)絡城大化學系范戰(zhàn)西教授（電郵：zhanxi.fan@cityu.edu.hk）。