近日，東華大學環境科學與工程學院喬錦麗教授團隊在金屬-空氣電池領域取得重要進展，相關成果以《高效量子點復合催化劑作為高活性氧還原/氧析出催化劑在先進金屬空氣電池中的應用》(EfficientQuantumDotsAnchoredNanocompositeforHighlyActiveORR/OERElectrocatalystofAdvancedMetal-AirBatteries)為題，發表于能源領域著名期刊《NanoEnergy》，該論文第一作者是環境科學與工程學院博士生徐能能。

“金屬-空氣電池”小科普

空氣也能發電？

是的，你沒有聽錯，

空氣也能發電！

金屬-空氣電池是什么？

金屬-空氣電池是以電極電位較負的金屬如鋅、鎂、鋰等作負極，以空氣中的氧或純氧作正極的活性物質。

金屬-空氣電池應用前景如何？

一起來看看~金屬-空氣電池因其擁有理想的能量密度和功率密度，并有望實現在能源轉化與儲存領域的廣泛應用，包括新能源汽車、固定式能量站和可穿戴設備等，引起國內外研究者的高度關注。

金屬-空氣電池開發的關鍵是？

金屬-空氣電池的發展主要受限于空氣電極緩慢的反應動力學，開發廉價、具有優異雙功能活性的非貴金屬催化劑成為發展金屬-空氣電池的關鍵。其中，碳載金屬氧化物復合催化劑因其組分間的協同作用以及良好的氧還原、氧析出活性，被認為是最有潛力替代貴金屬催化劑的候選材料之一。目前提升復合型催化劑電化學性能的方法主要分為兩種：增加活性位點數和提高本征活性，前者可通過降低材料粒徑、增加材料的比表面積來實現；而后者主要途徑是通過摻雜等手段。

課題組的研究新突破

研究團隊對此開展相關研究，提出了基于增加催化劑活性位點，同時提高其本征活性的理念，成功構建了大比表面積的NiFe2O4量子點/碳納米管復合催化劑，實現了超小粒徑NiFe2O4量子點在碳納米管上的一步錨定。該復合催化劑解決了小粒徑金屬氧化物易團聚的難題，擁有的金屬氧化物量子點可縮短催化反應的電子傳遞路徑。此外，量子約束效應以及陽離子摻雜策略提高了催化劑的本征活性；其獨特的三維結構進一步改善了催化劑的傳質與電子傳導過程。

真理無窮，每進一步都是歡喜

徐能能告訴記者，從偶然的實驗發現到探索其背后的科學研究價值，這是在無數次嘗試與積累后，課題組取得的一次特別寶貴的收獲，激發大家更多的研究能量和堅持。

課題組通過合理的實驗設計、反復的試驗與驗證，研究出NiFe2O4量子點與碳納米管復合材料對氧還原和氧析出反應的催化機理，并通過密度泛函理論（DFT）驗證出Ni作為活性位點與FeOx/CNTs的耦合提高了催化劑的反應活性，與實驗數據一致。在此基礎上，團隊設計出基于泡沫鎳的新型空氣電極，提高了鋅空電池穩定性（充放電循環大于800小時，電壓差為0.62V）；同時，進一步引入堿性陰離子交換膜作為全固態電解質，開發出優異性能的柔性金屬空氣電池。

據悉，本課題組已制備出大面積自支撐空氣電極，同時結合學校紡織學科特色，有望實現柔性鋅空、鎂空電池在大規模可折疊、可穿戴能源設備領域的應用。

值得一提的是，喬錦麗教授團隊還通過溫和的水熱法設計制備了基于MnO2納米管等一系列的Fe/Co/Ni/La基纏繞或包覆CNT以及核-殼結構的雙功能催化劑，實現了鋅空電池的高功率密度、高容量密度以及高穩定性等特性，這些相關研究先后發表在Nanoscale，ACSAppl.Mater.Interfaces，Sci.Bull.，Catal.Today以及Sci.Rep.等國內外知名期刊，并獲得多項發明專利。這些前期的研究工作為本篇研究論文的發表奠定了扎實的理論基礎和實驗支撐。