清華大學張強AM：硫化氫氧化物的綠色合成及其在電催化方面的應用

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可充電鋅-空氣電池是一種備受關注的新型儲能器件，具有高達1370 Wh?kg-1的理論比能量，且成本低、環境友好、安全性高。鋅-空氣電池的應用需要空氣電極上具有高性能的氧還原/氧析出雙功能催化劑，因此高效雙功能電催化劑的研發成為目前的熱點問題。其中，過渡金屬化合物因具有優異的活性得到廣泛的關注。在過渡金屬化合物催化劑的研究中，人們常對其進行陽離子或陰離子調控以實現更優的催化活性。陽離子調控的典型實例包括鎳鐵、鈷鐵體系等，鐵離子的摻雜可以極大地提升催化活性。陰離子調控則是一種較新的研究手段，包括對金屬氧化物、氫氧化物、氮化物、硫化物、磷化物等的調變與複合。

近日，清華大學化工系的張強研究團隊設計了一種新型的硫化氫氧化物氧還原/氧析出雙功能催化劑。該工作採用陰離子調控的手段，結合綠色化學的理念，常溫下在氫氧化物中摻入硫離子，合成的硫化氫氧化物保留原氫氧化物的形貌特徵，同時催化性能得到顯著的提升。相關成果發表在Advanced Materials上。

作者首先合成了負載在石墨烯上的鈷鐵複合氫氧化物納米顆粒，隨後將其浸泡在高濃度的硫化鈉溶液中。由於硫化物與氫氧化物在溶解度上的差異，硫離子會逐漸取代固相中的氫氧根，從而形成新型的硫化氫氧化物結構。由於反應條件溫和，過程綠色環保。硫化後的材料仍可保持以往的納米顆粒結構，避免高溫硫化過程中發生顆粒聚並。硫化後，由於硫離子對金屬離子電子結構的影響以及顆粒表面無定型化帶來的高比表面積，硫化氫氧化物材料表現出優異的雙功能催化活性。氧析出在10 mA?cm-2的電流密度下電勢為1.588 V，氧還原的半波電勢為0.721 V，兩者的電勢差僅為0.867 V。隨後以硫化氫氧化物為空氣電極催化劑的鋅-空氣電池的測試中，20.0 mA?cm-2的電流密度下過電勢僅為0.86 V，比容量高達898 mAh?g-1，並在2.0 mA?cm-2的電流密度下恆流充放電超過100圈後仍可維持充放電的電勢差不變。

該研究利用陰離子調控的思想，提出了一種新型的硫化氫氧化物催化材料用於氧還原與氧析出的雙功能電催化，合成方法簡單有效、易於重複，對新型過渡金屬化合物的開發及在儲能領域的應用提供了新的原理和思路。該論文的完成人為清華大學的王浩帆、唐城、王斌、李博權和張強。

近年來，清華大學的張強教授研究團隊致力於能源材料的研究。該團隊及其合作者提出無貴金屬雙功能氧還原/氧析出催化劑的概念，探討缺陷在電催化中的關鍵作用，並探索其在鋅-空氣二次電池中的應用。相關研究工作發表在Small（Small,2014,10, 2251-2259）、Adv. Funct. Mater.（Adv. Funct. Mater.,2014,24, 5956）、Adv. Mater.（Adv. Mater.,2015,27, 4516）、Adv. Mater.（Adv. Mater.,2016,28, 6845）、Sci. Adv.（Sci. Adv.,2016,2, e1600495）、Adv. Mater.（Adv. Mater.,2017,29, 1604103）等。

該論文作者為：Hao-Fan Wang, Cheng Tang, Bin Wang, Bo-Quan Li, Qiang Zhang

Bifunctional Transition Metal Hydroxysulfides: Room-Temperature Sulfurization and Their Applications in Zn-Air Batteries

Adv. Mater.,2017,29, 1702327, DOI: 10.1002/adma.201702327

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張強

http://www.x-mol.com/university/faculty/21097

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