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鋅空氣電池具有高理論能量密度、高安全性、低成本等優(yōu)點，是一種極具發(fā)展前景的儲能技術(shù)。目前鋅空氣一次電池已被廣泛應(yīng)用于助聽器、路燈等電子設(shè)備中，鋅空氣二次電池因不可充電的致命缺陷嚴(yán)重限制了其進一步商業(yè)化應(yīng)用。

“隨著新能源發(fā)電、新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，研究人員開始研發(fā)鋅空氣二次電池。但用于該電池的催化劑一般是貴金屬催化劑。貴金屬資源有限，成本高，開采困難，并且其催化性能單一、催化穩(wěn)定性低，催化效率遲遲不能突破。”張雷向《中國科學(xué)報》介紹，開發(fā)出高效穩(wěn)定的雙功能氧催化劑替代傳統(tǒng)的貴金屬催化劑，對于鋅空氣二次電池的產(chǎn)業(yè)化至關(guān)重要。

以自然界的石榴作為催化劑設(shè)計藍本是個很好的創(chuàng)意，每一粒石榴果實都可以理解為一個催化活性位點，大量果實的集成豐富了催化所需要的活性位點，有助于高效的催化反應(yīng)。

“但這些活性位點往往被深埋于體相，導(dǎo)致活性位點的實際利用率極低，這就像石榴果實被包裹于果皮內(nèi)，難以與外界的各種反應(yīng)物質(zhì)充分接觸，這造成催化劑的催化活性難以完全發(fā)揮?！睆埨渍f。

此次研究中，張雷等提出了一種新的活性調(diào)控策略，通過將雙功能活性中心裝填于多孔碳納米籠中，利用獨特的孔洞設(shè)計加速電催化反應(yīng)中的傳質(zhì)和傳荷過程，實現(xiàn)了催化活性的大幅度提升。

這種方法類似于在石榴表皮上構(gòu)筑大量的孔，這些孔讓大量的石榴果實與外界的反應(yīng)物質(zhì)充分接觸，增大反應(yīng)面積，加快物質(zhì)的傳輸效率。張雷說：“這項研究可為下一代可逆能源轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中多功能電催化劑的設(shè)計和發(fā)展提供新的思路?！?/p>

審稿人認為，“這一成果不僅克服了傳統(tǒng)的電催化劑只對其中一個半反應(yīng)具有出色的催化活性，而對另一個半反應(yīng)往往催化活性一般的弊端，更為從微/納米尺度上認識催化活性位點的組成、空間分布、界面電荷轉(zhuǎn)移以及傳質(zhì)/傳荷通道等與催化活性和穩(wěn)定性之間的關(guān)聯(lián)機制，提供了一個有效策略和理想的催化劑模型?！?/p>