​同济/华工Nano Letters：调控金属-氧键进而提高催化剂的氧反应动力学

空气电极的析氧反应(OER)和氧还原反应(ORR)的缓慢动力学显著阻碍了高性能锌-空气电池(ZABs)的发展。在各种先进的空气电极催化剂中，过渡金属氧化物(TMOs)因其价格低廉、资源丰富，在OER/ORR中显示出巨大的应用潜力，但与贵金属基催化剂相比，其整体性能有待进一步提高。

最近的研究表明，金属-氧键，特别是TMO中的金属-氧键密切影响OER/ORR中间体的吸附和脱附，并进一步决定了反应动力学，从而在催化性能中发挥关键作用。因此，优化金属-氧键的结构可以提高催化剂的催化活性并进一步促进ZABs的发展，但仍存在重大挑战。

基于此，同济大学潘争辉和华南理工大学丘勇才(共同通讯)等人提出了一种独特的策略，通过离子交换实现非晶/晶异质结精确地调控金属-氧键结构。

OER极化曲线显示，Co_1-xSnO_3-y-Fe_z-A/C的过电位和Tafel斜率显著低于非晶CoSnO_3-y-A，而当FeCl₃含量进一步增加时，Co_1-xSnO_3-y-Fe_0.024-A/C的活性降低，这可能是由于过多的晶相和较强的Sn-O键导致缺陷结构的减少。根据测试结果，Co_1-xSnO_3-y-Fe_0.021-A/C表现出最低的OER过电位(在10 mA cm^-2时为267 mV)，比CoSnO_3-y-A低84 mV，远优于贵金属催化剂IrO₂以及报道最多的金属氧化物催化剂。

同样，ORR极化曲线表明，Co_1-xSnO_3-y-Fe_z-A/C的半波电位高于CoSnO_3-y-A且Tafel斜率较低。其中Co_1-xSnO_3-y-Fe_0.021-A/C的ORR性能最好，半波电位为0.81 V，极限电流密度为4.5 mA cm^-2，与最佳的ORR贵金属催化剂Pt/C接近。Co_1-xSnO_3-y-Fe_0.021-A/C的OER/ORR电势差为0.687 V，远低于CoSnO_3-y-A(0.834 V)，这是锌空气电池(ZABs)迫切需要的优良OER/ORR性能。

本文详细地表征证实了离子交换诱导的非晶/晶结构增强了Sn-O键，削弱了Co-O键强度，并引入了额外的Fe-O键，伴随着丰富的钴缺陷和最佳的氧缺陷且催化剂具有较大的孔结构和比表面积。金属-氧键结构的优化以引入晶体结构为主，Fe-O键和富Co缺陷的引入进一步促进了金属-氧键结构的优化。因此，Co_1-xSnO_3-y-Fe_0.021-A/C的OER和ORR的过电位分别比非晶CoSnO_3-y显著降低。

值得注意的是，基于Co_1-xSnO_3-y-Fe_0.021-A/C的锌空气电池表现出良好的输出功率密度、循环性能和灵活性。本工作为调节金属-氧键结构提供了新的灵感，加深了对金属-氧键结构与催化活性之间关系的理解，从而合理设计高效的电催化剂。

Tailoring Metal–Oxygen Bonds Boosts Oxygen Reaction Kinetics for High-Performance Zinc-Air Batteries, Nano Letters, 2023, DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c00053.

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c00053.