【摘要】 对 OER 的促进作用往往在特定强度的 AMF 下达到最大。

锌空气电池正在成为小型电子设备和电动汽车的有前途的电源。它们以相对较低的成本提供相对较高的比能量密度。用于氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）的双功能电催化剂在提高可逆燃料电池和金属空气电池的性能方面发挥着主要作用。

 

回顾了催化剂的开发策略，以及通过应用磁场提高催化剂性能的策略。双功能分子 ORR/OER 催化剂的正确设计可以将电池的可逆性延长至数千次循环，并且能量效率达到 70% 以上。

图1. (a) 不同 AMF 下电流密度为 10 mA cm-2 时的过电势。 (b) Co、CoO 和 Co3O4 的最大电流密度。 (c) M-O 的自旋构型。 (d) AMF下不同磁性电催化剂OER促进机制差异的示意图【1】。

 

对 OER 的促进作用往往在特定强度的 AMF 下达到最大。例如，在具有不同磁特性（Co、CoO 和 Co3O4）的 ZIF-67 负载的钴基电催化剂（Co、CoO 和 Co3O4）上，在 4.3 mT 的磁场下观察到最大值（图1a）。

 

在最佳条件下，与没有 AMF 的实验相比，ZIF-67 负载的 Co、CoO 和 Co3O4 催化剂的过电势分别降低了 140、119 和 142 mV。磁场强度的进一步增加增加了电磁感应引起的过电势。 Co催化剂的最大电流密度为15.6 mA cm-2（图1b）。

 

由于各个Co团簇的热绝缘性，磁加热被严格限制在磁性离子内。在反应过程中，吸附的羟基在表面去质子化形成O自由基，其中Co dπ轨道电子和氧的pπ轨道电子由于交换相互作用效应而表现出相同的自旋构型（图1c）。

 

在随后的OH基团吸附和去质子化过程中，通过铁磁交换效应选择性地去除具有特定自旋方向的电子，从而促进三重态氧的生成（图1d）非贵金属催化材料未来的研究方向包括：

（i）利用物理化学参数（成分、形态、氧化态、缺陷、表面积、电导率等）对内在催化活性的影响，

（ii）通过材料和结构的创新设计（包括单原子稳定）来提高活性位点的密度及其利用率，

以及（iii）优化催化剂合成策略（更便宜的前体、低温、更短的持续时间），以在不降低其合成效率的情况下将其合成扩大到工业规模。

 

活性和稳定性。活性金属的溶解和不可逆氧化是ZAB失效和充放电过程中过电位较大的主要原因。应用外部磁场是提高电催化速率和降低过电势的一种优雅策略。

 

所进行的研究有助于了解外部磁场对 ZAB 中使用的铁磁复合电催化剂性能的影响。许多研究是在直流磁场下进行的，对于交流磁场在OER电催化中的作用仍缺乏系统的了解。感应加热将热量直接驱动到催化位点的能力被证明是一种能够在交流磁场下将 OER 速率提高一个数量级的技术。

 

消除反应器壁上的传质限制降低了 ZAB 中的浓度梯度，这在很大程度上有助于提高能量效率以及降低过电势。

 

多项研究表明，磁场增强了火山模式中的催化性能，而高磁场强度会抑制反应速率。这种效应被解释为自旋极化和磁流体动力学效应之间的相互作用。尽管已经有一些关于电子自旋选择性机制的研究，与催化剂电子自旋结构的变化有关，但仍需要对自旋电子结构进行原位表征，以更好地理解自旋催化的理论和机制。

 

【1】Rebrov E V, Gao P Z. Molecular Catalysts for OER/ORR in Zn–Air Batteries[J]. Catalysts, 2023, 13(9): 1289.

 

科学指南针以分析测试为核心，提供材料测试、环境检测、生物服务、模拟计算、科研绘图等多项科研产品，累计服务1800+个高校、科研院所及6000+家企业，获得了60万科研工作者的信赖。始终秉持“全心全意服务科研，助力全球科技创新”的使命，致力于为高校、院所、医院、研发型企业等科研工作者提供专业、快捷、全方位的服务。

 

免责声明：部分文章整合自网络，因内容庞杂无法联系到全部作者，如有侵权，请联系删除，我们会在第一时间予以答复，万分感谢。