近日，我校环境科学与工程学院乔锦丽教授团队在金属空气电池领域取得重要进展，相关成果以《高效量子点复合催化剂作为高活性氧还原/氧析出催化剂在先进金属空气电池中的应用》(Efficient Quantum Dots Anchored Nanocomposite for Highly Active ORR/OER Electrocatalyst of Advanced Metal-Air Batteries. Nano Energy 2018 DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.12.017)为题，发表于能源领域著名期刊《Nano Energy》（影响因子15.55），该论文第一作者是环境科学与工程学院博士生徐能能，共同通讯作者是乔锦丽教授和中国科学院上海硅酸盐研究所张涛研究员。
（催化剂的催化机制及其在金属空气电池应用）
金属空气电池因其拥有理想的能量密度和功率密度，并有望在能源转化与储存领域的广泛应用，比如新能源汽车、固定式能量站和可穿戴设备等，引起国内外研究者的高度关注。然而，金属-空气电池的发展主要受限于空气电极缓慢的反应动力学，能否成功开发廉价、具有优异双功能活性的非贵金属催化剂将成为发展金属-空气电池的关键。其中，碳载金属氧化物复合催化剂因其组分间的协同作用以及良好的氧还原、氧析出活性，被认为是最有潜力替代贵金属催化剂的候选材料之一。目前提升复合型催化剂电化学性能的方法主要分为两种：增加活性位点数和提高本征活性，前者可通过降低材料粒径、增加材料的比表面积来实现；而后者主要途径是通过掺杂等手段。
（催化剂合成路径与结构表征）
课题组对此开展相关研究，提出了基于增加催化剂活性位点，同时提高其本征活性的理念，成功构建了超大比表面积的NiFe2O4量子点/碳纳米管复合催化剂，实现了超小粒径金属氧化物量子点（NiFe2O4）在碳纳米管上的一步锚定。该复合催化剂成功解决了小粒径金属氧化物易团聚的难题，制备出的金属氧化物量子点可缩短催化反应中的电子传递路径。此外，由于量子约束效应以及阳离子掺杂策略，加强了催化剂的本征活性，更特别是，其独特的三维结构进一步改善了催化剂的传质与电子传导等过程。
论文第一作者徐能能告诉记者，从偶然的实验发现到探索其背后的科学研究价值，这是在无数次尝试、无数次积累后，课题组取得的一次特别宝贵的收获，激发大家更多的研究能量和坚持。课题组通过合理的实验设计、反复的试验与验证，率先解释了NiFe2O4类尖晶石与碳纳米管复合材料在氧还原以及氧析出的反应机理，并通过密度泛函理论（DFT）验证出Ni作为活性位点与FeOx/CNTs的耦合提高了催化剂的反应活性，这也与实验数据完全一致。此外，团队首次设计出一种基于泡沫镍的新型空气电极，该电极极大地提高了锌空电池稳定性（充放电循环大于800小时，电压差仅为0.62V）；同时创造性地引入碱性阴离子交换膜作为电解质，结合学校纺织学科特色，可实现柔性锌空、镁空电池在可折叠、可穿戴能源设备领域的应用。
值得一提的是，乔锦丽教授团队还通过温和的水热法设计制备了基于MnO2纳米管等一系列的Fe/Co/Ni/La基缠绕或包覆CNT以及核-壳结构的双功能催化剂，实现了锌空电池的高功率密度、高容量密度以及高稳定性等特性，这些相关研究先后发表在Nanoscale， ACS Appl. Mater. Interfaces，Sci. Bull.，Catal. Today 以及Sci. Rep.等国内外知名期刊，并获得多项发明专利。这些前期的研究工作为本篇研究论文的发表奠定了扎实的理论基础和实验支撑。
（撰稿：徐能能吴娅琳）
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285518309212?via%3Dihub