首款用于可充电锌空气电池的无金属催化剂

凯斯西储大学和北德克萨斯大学的研究人员已经制造出他们认为是第一种无金属双功能电催化剂，其性能与锌空气电池中的大多数金属和金属氧化物电极相当或更好。

预计锌空气电池比移动电话和笔记本电脑中常见的锂离子电池更安全，更轻，更便宜，更强大和耐用，并且越来越多地用于混合动力和电动汽车。

这种碳基催化剂在氧还原反应和析氧反应中都有效，使电池可充电。与大多数替代材料相比，催化剂价格低廉，易于制造且更具生态性。

该研究发表在Nature Nanotechnology的在线版上。

“使用电池，成本始终是一个问题，无金属催化剂可以降低成本，同时提高性能，”Case Western Reserve大学高分子科学与工程教授，该研究的高级作者Liming Dai说。“这些电池可用于计算机，数据站，照明 - 现在可以使用任何电池。”

戴先生曾与Case Western Reserve博士后张金涛合作，他曾进行过实验工作; 和北德克萨斯大学的材料科学与工程教授夏振海和博士生赵正航进行了理论模拟。

锌空气电池将空气中的氧气与液体碱性电解液中的锌混合，产生电荷。电池的能量密度是锂离子电池的三倍，但一直很低迷。为了解决这个问题，研究人员正在寻找不同的催化剂材

该催化剂是稳定的碳气凝胶或泡沫，其孔径为2至50纳米，提供了巨大的表面积和电池电解质扩散的空间。

研究人员遵循斯坦福大学科学家于2012年发布的泡沫制造程序。他们将有机化合物苯胺的分子聚合成植酸溶液中的长链，然后将三维水凝胶冷冻干燥成气凝胶。

“我们所做的就是对三维结构进行碳化处理，将其改为石墨碳材料，”张说。

为此，研究人员在没有氧气的情况下将气凝胶加热到1000摄氏度。这一过程称为热解，引起热化学反应，将泡沫转变为石墨网络，许多石墨烯边缘被证明对催化至关重要。

“这是一个低成本，一步到位，可扩展的过程，”戴说。“电催化剂产生的成本与更昂贵的材料相当或更好。”

苯胺用氮气注入或掺杂泡沫，这增强了氧还原反应。植酸使泡沫中含有磷。“氮和磷的共同掺杂增强了氧气还原和氧气释放反应，正如第一性原理计算所证实的那样，”Xia说。

在比较中，碳泡沫在初级或非可充电电池和可充电电池中的性能与昂贵的铂/金属氧化物基催化剂相当或超过。并且，它具有更好的长期稳定性。

碳泡沫也与大多数先前报道的无金属催化剂相匹配或表现优异，甚至最近开发的金属碳基催化剂也是如此。

展望未来，戴的团队已开始进一步优化工艺，同时还研究了其他共掺杂不同元素的石墨碳材料，以便在其他能源和环境技术中使用。

Dai的实验室之前开发的碳基催化剂的性能与碱性和酸性燃料电池以及染料敏化太阳能电池中使用的更昂贵的金属基催化剂相当或更好。

“也许是时候在商用设备上推出无金属催化剂，”戴说。