图2 柔性锌空气电池研究进展3. Generation of Nanoparticle, Atomic-Cluster, and Single-Atom Cobalt Catalysts from Zeolitic Imidazole Frameworks by Spatial Isolation and Their Use in Zinc–Air Batteries. Xiaopeng Han, Xiaofei Ling, Ying Wang, Tianyi Ma, Cheng Zhong, Wenbin Hu, Yida Deng.* Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 5359 –5364.简介：深入理解和认识纳米颗粒催化剂的尺寸效应是多相催化领域建立结构-性能关联关系的热点课题之一。单原子催化剂由于具有最小粒径和最大活性位点利用率，近些年来备受关注。为了完全替代贵金属材料，过渡金属（TM，如Co、Ni、Fe）催化剂吸引了越来越多研究者们的兴趣。尽管在传统化学催化中开展了TM尺寸效应的大量研究（如钴催化剂对费-托反应的尺寸效应），但TM催化剂尺寸对ORR/OER活性影响的研究还比较匮乏。此外，通过常规合成方法如热处理、化学还原和浸渍法制备的上述过渡金属颗粒的粒径分布通常在纳米尺寸的范围内，使得在更小尺度范围内（从纳米颗粒到纳米团簇甚至单个原子）研究金属粒子粒径对电化学性能的影响变的更加困难。沸石咪唑骨架（ZIFs）是金属-有机骨架MOFs材料的重要分支，被用作合成过渡金属和N-掺杂多孔碳（TM-N-C）复合材料的前驱体。在ZIFs形成过程中，异质原子引入的不仅可以调控金属原子在ZIFs中的配位环境，而且可以提供一定的空间位阻缓解热解过程中的团聚现象。尽管如此，具体的分隔机制还有待进一步的探讨，实现从纳米到埃尺寸TM颗粒的多尺度调控制备还存在很大挑战。近日，我们通过精确调节双金属ZnCo-ZIFs前驱体中的锌的掺杂量，成功地实现了钴原子在原子水平上的空间分隔，在氮掺杂碳基底上制备出不同钴原子聚集的钴基催化剂：钴纳米颗粒、钴原子簇和钴单原子。此策略使得TM催化剂尺寸效应的研究到达单原子尺度。具体而言，通过调节ZIFs框架结构中的Zn/Co摩尔比，在热解时，Co原子可以被引入的Zn原子在几何上分隔到不同程度，分隔度最小为纳米颗粒（Zn:Co=0:1），适中为原子簇（Zn:Co= 2:1），最大为单原子（Zn:Co=8:1）。其中，钴单原子催化剂表现出最优的ORR活性，与商业化碳载铂催化剂相当。此外，钴单原子催化剂具有优于贵金属Pt/C+RuO2的循环稳定性和锌-空气电池充放电行为。研究表明，单原子钴具有较高的化学活性、与基底中的N配位保证了其稳定性、碳基底优良的导电性和丰富的孔结构、大的比表面积是该材料性能优异的主要原因。这项工作为通过空间分隔效应调控颗粒尺寸提供了参考，对深入理解纳米催化剂尺寸-性能关系具有借鉴作用。
图3. 双金属ZnCo-ZIFs 制备高效电催化剂4. Challenges in Zinc Electrodes for Alkaline Zinc-Air Batteries: Obstacles to Commercialization. Zequan Zhao, Xiayue Fan, Jia Ding, Wenbin Hu, Cheng Zhong,* Jun Lu.* ACS Energy Lett. 2019, 4, 2259-2270.简介：可持续能源技术的发展是实现经济持续增长、构建和谐社会的重大挑战。近来，金属空气电池作为一种环保能源技术，由于其理论能量密度远高于锂离子电池，有望成为下一代电化学储能电池。在各种金属空气电池技术中，锌空气电池因其能量密度高、成本低、安全环保等优点而具有广阔的发展前景。锌空气电池的阴极活性物质是来自大气中的氧，它是取之不尽的。一次锌空气电池目前已上市，并已成功地应用于低电流电器设备中，如助听器。开发可充电的锌空气电池，在过去的十年中，研究人员已经探索了一些低成本、高容量的正极和负极材料，用于开发可充电的锌空气电池。二次锌空气电池已经在储能设备和电动汽车上得到了初步应用，但到目前为止，二次锌空气电池在大规模商业化进程上仍有很大的改进空间。本文总结了限制可充电锌空气电池中锌阳极存在的问题，并结合当前的相关学术研究，指明了锌空气电池阳极未来的发展方向。该工作通过分析锌电极在电池使用过程中所存在的钝化、枝晶生长和析氢腐蚀反应等关键问题对可充电锌空气电池的充放电性能，在现有研究的基础上展望了克服锌负极问题的关键途径，为未来二次锌空气电池的商业应用打下基础。
图4. 锌-空气电池发展方向与应用前景5. Porous nanocomposite gel polymer electrolyte with high ionic conductivity and superior electrolyte retention capability for long-cycle-life flexible zinc–air batteries. Xiayue Fan, Jie Liu, Zhishuang Song, Xiaopeng Han, Yida Deng, Cheng Zhong,* Wenbin Hu.* Nano Energy 56 (2019) 454–462.简介：柔性锌空气电池由于其高的理论能量密度（1086 Wh kg–1），低成本和环境友好性的特点，是一种十分具有发展前景的储能器件。柔性锌空气电池一般由锌阳极、固态/半固体电解质、空气阴极和封装材料组成。其中，半固态/固态电解质起着电极之间的离子传输作用，其离子传导率、界面接触等性质将显著影响柔性锌空气电池的性能包括循环寿命，倍率特性和功率输出等。近年来，聚乙烯醇基碱性聚合物电解质（PVA–KOH）由于制备简单、化学稳定性好而受到了广泛关注，但是锌空气电池独特的半开放结构对PVA–KOH电解质体系的保水性、离子传导能力提出了挑战。因此，具有高保湿性、高离子传导率保持性的新型聚合物电解质的开发成为突破柔性锌空气电池领域一个关键挑战的研究重点。由传统PVA–KOH聚合物电解质体系组装的锌空气电池具有以下问题：（1）由于PVA–KOH聚合物电解质中KOH的浓度较低而导致低的离子传导率，（2）由于PVA的交联结构而导致较为致密的聚合物基体从而使聚合物电解质的吸液性较差，（3）由于锌空气电池的半开放结构而使空气电极一侧水分易蒸发而对聚合物电解质的保湿性提出挑战。为了解决上述问题，本文制备了一种多孔结构的PVA来改善其聚合物电解质总体的吸液性，另一方面，通过引入表面具有羟基的二氧化硅纳米颗粒以提高电解质的保湿性（图4）。并且，通过改变纳米二氧化硅颗粒的引入量，获得了具有最佳添加量（5 wt.%）的多孔纳米二氧化硅复合PVA基聚合物电解质。该电解质表现出优异的离子电导率（57.3 mS cm–1）和电解质保持能力以及良好的热学和机械性能，使用该电解质组装的柔性锌空气电池表现出长达48小时的优异的循环稳定性，稳定的放电性能和较高的功率输出。更值得一提的是，使用这种多孔纳米二氧化硅复合PVA基聚合物电解质组装的柔性锌空气电池可以为多种电子装置提供动力，同时可以承受各种弯曲条件的变形而没有任何性能降低。
图5. 柔性锌空气电池的组装示意图和多孔纳米二氧化硅复合PVA基聚合物电解质的制备方法及其内部结构6. Long-battery-life flexible zinc–air battery with near-neutral polymer electrolyte and nanoporous integrated air electrode. Yuan Li, Xiayue Fan, Xiaorui Liu, Shengxiang Qu, Jie Liu, Jia Ding, Xiaopeng Han, Yida Deng, Wenbin Hu, Cheng Zhong.* J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 25449–25457.简介：柔性和可穿戴电子设备的迅速发展推动了对柔性电池的需求，锌空气电池因具高理论能量密度，环境友好特性和低成本等优势而引起了广泛的关注。但是，传统碱性锌空气电池的应用受到（1）锌阳极腐蚀和（2）枝晶生长以及（3）电解质快速碳酸盐化等问题的严重限制。本文报道了一种基于近中性凝胶聚合物电解质的新型锌空气电池。该电解质具有较好的保水性和高离子电导率。相比于传统碱性电池体系，本文中性锌空气电池表现出更好的环境友好性和锌电极耐腐蚀性，并且可以有效避免碳酸盐化问题。此外，利用具有扩大的界面接触面积和催化部位的集成纳米孔空气阴极，其显示出优异的柔韧性和高强度。基于以上优点，本文基于近中性凝胶聚合物电解质的锌空气电池在初始状态下以及封装保存10天后，可实现70小时的循环寿命，相比于碱性电解质体系，电池的循环寿命以及储存寿命均显着提高。本文的柔性锌空气电池还可以根据应用的形状和尺寸进行组装，以满足各种应用的空间和能量需求，并且在不同的弯曲条件下电池仍可以稳定工作而不会降低性能。
图6. 电池结构示意图，中性锌空气电池反应机制以及电池充放电循环性能7. Recent advances and challenges in divalent and multivalent metal electrodes for metal–air batteries. Yangting Sun, Xiaorui Liu, Yiming Jiang, Jin Li, Jia Ding, Wenbin Hu, Cheng Zhong.* J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 18183.简介：金属空气电池（MAB）具有极高的理论能量密度，并且在成本、环保性和安全性方面具有优势，因此近年来受到了广泛的关注。MAB的性能与其金属电极密切相关，枝晶、形变、腐蚀、钝化等问题严重制约了MAB的发展和商业化。目前研究较多的金属电极材料除了Li、Na、K等碱金属，还有Zn、Al、Mg、Fe等二价或多价金属。这些不同金属电极工作时遇到的问题有相似也有差异，因此，系统性地总结不同金属电极面临的挑战以及相应的应对策略和研究进展是非常必要的。本文系统阐述了金属空气电池中金属电极面临的瓶颈问题以及应对这些问题的最新研究进展。本文重点关注了Zn、Al、Mg、Fe等常见金属空气电池，从金属电极的角度比较了这几种体系的优势和短板。通过归纳腐蚀、钝化、枝晶等问题以及相应的调控策略在这些金属电极中的相似和差异，可以更好地指导未来研究。此外，由于金属电极的性能与电解质密不可分，本文对致力于通过改进电解质来提升金属电极性能的研究也进行了总结。
图7.（a）金属电极分类，（b）电解质分类，（c）水系和非水系金属空气电池中金属电极面临的典型问题，（d）枝晶、形变、腐蚀、钝化等金属电极常见问题的示意图团 队 介 绍胡文彬教授：博士生导师，国务院政府津贴获得者，现任天津大学材料学院院长。国家杰出青年基金获得者、国家万人计划领军人才，国家科技部“863”计划新材料领域主题专家组成员，长期从事关键能源材料及表界面科学与工程研究，是科技部及天津市重点领域创新团队负责人。在国内外学术刊物发表SCI收录论文300余篇，出版著作或教材4部。获得国家授权发明专利50余项。作为第一完成人，获得国家科技进步二等奖1项、省部级一等奖3项。先后任中国材料研究学会青年委员会高级理事、腐蚀与防护学会常务理事，任Science China Materials、无机材料学报、中国有色金属学报等学术期刊编委。邓意达教授：博士生导师，2006年获上海交通大学博士学位，长期从事金属微/纳功能材料的结构控制与功能调控研究，先后主持科技部重点研发计划课题2项、国家自然科学基金面上2项、青年1项等科研项目20余项。累计发表SCI论文132篇，他引2400余次，ESI高被引论文10篇。研究成果获国家科技进步二等奖1项(第五位)和省部级科技进步一等奖2项。钟澄教授：博士生导师。2004年获复旦大学学士学位，2009年获复旦大学博士学位。入选国家万人计划青年拔尖人才、国家优秀青年科学基金、天津市杰出青年科学基金等人才计划。主持国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金面上项目等。任Frontiers in Chemistry副主编，International Journal of Minerals Metallurgy and Materials编委。围绕电池电化学和电化学冶金方面，在Chem. Soc. Rev., Nature Comm. Adv. Mater., ACS Energy Letters, Adv. Energy Mater., Angew. Chem., Int. Ed., ACS Nano等刊物发表SCI收录论文130余篇，出版英文著作1部。获得国家授权发明专利10余项，并有多项专利获得转让。丁佳教授：博士生导师，入选海外高层次人才引进计划青年项目。围绕电化学储能关键材料与先进技术方向展开长期深入的研究，以第一/通讯作者在Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Chem. Rev.、ACS Nano、Angew. Chem., Int. Ed.、Adv. Energy Mater.等国际知名学术期刊发表论文30余篇，8篇入选ESI热点论文和高被引论文，引用3000余次。申请美国专利6项，授权1项。应邀担任包括 Nat. Commun.， Adv. Energy Mater.在内的化学与材料领域国际学术期刊审稿人。韩晓鹏副教授：2015年于南开大学获博士学位，2019年在香港科技大学做访问学者。主要从事能源微纳材料的结构调控制备及器件性能研究，主持国家自然科学基金面上、青年等项目，在Nature Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem., Int. Ed.等期刊发表SCI论文100余篇，被引4600余次，ESI高被引17篇，h-index=35；申请国家发明专利20余项，入选中国科协青年托举计划，担任Front. Chem.期刊客座编辑，获天津市自然科学一等奖。陈亚楠副教授：2017年获北京科技大学/美国马里兰大学冶金工程/材料学博士学位，2017~2019年入选清华大学生命科学学院高精尖创新中心卓越学者。2019年5月入选“北洋学者”计划，担任天津大学材料学院副教授。主要从事新型材料制备及其在能源、环境、生物中的应用。主持重大研究计划（培育项目）等。现已在Nature Energy、Nature Comm.、Science Advances、JACS、PNAS、Adv. Mater.等期刊发表研究论文近50篇，其中以第一/通讯作者在高影响力期刊（IF>10）上发表研究论文20余篇，论文引用2100余次，多篇论文入选高被引论文。申请美国专利4项，国内专利多项。
