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金屬空氣電池因其原材料豐富、能量密度高、輕便、安全環(huán)保等優(yōu)點，而被稱為21世紀最具開發(fā)前景的綠色能源之一。然而，尋找高性價比的氧還原催化劑是開發(fā)金屬空氣電池的關鍵難題，也是制約金屬空氣電池在電動汽車等領域廣泛應用的“瓶頸”。

日前，南開大學電子信息與光學工程學院王衛(wèi)超教授、美國休斯敦大學姚彥教授聯(lián)合研究團隊，成功將錳基莫來石材料作為催化劑應用于鎂空氣電池。相較于傳統(tǒng)貴金屬催化劑，該材料成本大幅降低，可在中性電解液中穩(wěn)定工作，其優(yōu)越的催化活性極大提高了鎂空氣電池的效率。這也是莫來石材料首次在氧還原反應中得到應用。

金屬空氣電池是以金屬為燃料，與空氣中的氧氣發(fā)生氧化還原反應產(chǎn)生電能的一種特殊燃料電池。它以空氣中的氧作為正極活性物質(zhì)，金屬鋅(或鋁、鎂)作為負極活性物質(zhì)?？諝庵械难鯕饪稍丛床粩嗟赝ㄟ^氣體擴散電極到達電化學反應界面與金屬反應而放出電能。

然而，在金屬空氣電池中，氧還原(ORR)催化劑直接決定著電轉(zhuǎn)化效率、電池成本和壽命等。傳統(tǒng)的ORR催化劑主要是貴金屬和金屬螯合物，但是貴金屬儲量有限，成本過高;金屬螯合物的品種較少，制備過程復雜等因素都限制了這兩類催化劑的應用。隨著氧電極技術(shù)的發(fā)展及降低電池造價的需要，尋找一種既價格低廉，又對氧還原有很好的催化活性的催化劑成為燃料電池研究的重要課題之一。

鎂空氣電池在堿性條件下金屬表面極易鈍化而使催化反應無法繼續(xù)，良好的工作環(huán)境必須在中性溶液中實現(xiàn)，這對ORR催化劑設計提出了很大的挑戰(zhàn)。

“莫來石是一類陶瓷材料。之前幾乎沒有人想過用它來做金屬空氣電池的催化劑?！蓖跣l(wèi)超說，這一想法源于他4年前所做的一項處理柴油機尾氣中氮氧化物的研究。他在實驗中發(fā)現(xiàn)，在將一氧化氮轉(zhuǎn)化為二氧化氮的過程中，錳基莫來石材料表現(xiàn)出優(yōu)良的催化效果。該成果2012年發(fā)表于《科學》雜志。

“我們認為，錳基莫來石材料和氧的相互作用非常關鍵。我們預測，涉及到和氧相關的催化過程，莫來石材料或許都可以應用?！蓖跣l(wèi)超說。

基于這樣一個大膽的設想，王衛(wèi)超找到了具有豐富空氣電池研發(fā)設計經(jīng)驗的美國休斯頓大學姚彥教授，組成聯(lián)合研究團隊。經(jīng)過大量實驗和理論研究，他們終于成功將錳基莫來石材料首次應用為鎂空氣電池的ORR催化劑，在中性溶液氯化鈉(NaCl)溶液中，實現(xiàn)ORR反應過電勢達到0.78 V，已經(jīng)接近貴金屬鉑催化劑的性能(0.7 V)，且材料穩(wěn)定性能優(yōu)于貴金屬。

“首先是成本大幅降低。以前用鉑，價格論克算，一克至少是人民幣200元?，F(xiàn)在用莫來石，以噸計數(shù)。其次，是它更加穩(wěn)定，可以更多次重復反應，這就意味著電池壽命的延長。第三，這是莫來石材料首次在金屬空氣電池中的應用，為莫來石材料在電化學中的新應用開辟了新路。”姚彥教授說。

錳基莫來石催化劑的制備及理論性能預測由王衛(wèi)超教授課題組完成。姚彥教授課題組實現(xiàn)了應用錳基莫來石催化劑的鎂空氣電池的設計，并試制出原型紐扣電池。原型電池的輸出電壓可以驅(qū)動一個紅色LED燈，說明催化劑具有著較好的催化活性，有著巨大的應用潛力。

據(jù)了解，該研究得到中組部“青年千人”、國家自然基金面上項目(21573117)以及美國國家自然基金(CMMI-1400261)支持。介紹該合作成果的論文已被國際著名學術(shù)刊物《Nano Energy》(《納米能量》)在線發(fā)表。