全球日益增长的能源需求以及传统能源带来的环境问题推动了清洁能源的快速发展。金属-空气电池因其高能量密度、高安全性、环境友好和低成本等优点，有望成为新一代高性能储能器件。然而金属-空气电池的一个重要的缺点是发生在空气电极上的氧还原反应(ORR)动力学缓慢，需要价格高昂且储量稀缺的铂基催化剂进行催化，这严重的阻碍了金属-空气电池的大规模应用。所以为了促进金属-空气电池的大规模应用，开发高效稳定且低成本的非铂基电催化剂成为研究热点。在开发非铂基电催化剂的研究中，将具有多样杂化轨道的铁系元素引入到碳骨架中实现了与铂基催化剂相近的催化性能。

中国海洋大学王焕磊教授课题组多年来致力于碳基纳米材料的制备及其能量存储转化领域(如超级电容器、锂/钠/钾离子电池、混合离子电容器、锌空电池等)的研究工作，设计制备了多种高性能电极材料。近日，王焕磊教授课题组受邀在《新型炭材料》(New Carbon Materials)期刊撰写最新综述：“Recent advances in carbon-supported iron group electrocatalysts for the oxygen reduction reaction”。本文根据活性位点分类，综述了炭负载铁系元素ORR催化剂的最新研究进展，并对各活性位点的作用机理进行了综述(图1)。通过总结发现炭负载铁系元素催化剂的催化性能可能来源于：(1)杂原子调节铁系元素的电子结构从而产生优异的ORR催化活性。(2)通过调节铁系元素化合物的微观形貌和尺寸提高催化剂的ORR催化活性。(3)炭材料的引入有利于获得分散良好的活性位点和优异的导电性，从而缩短离子和电子的传输路径并加速反应动力学。虽然炭负载铁系元素催化剂在ORR领域取得了很大的进展，但仍需要在以下三方面进行努力：首先，各种铁系元素在氧还原催化剂中的具体作用还没有完全明确，尤其是多个活性位点存在时各个活性位点的协同作用机理不明确，所以需要进一步研究活性位点的催化剂机理。其次，活性中心的性能被认为与其形貌，颗粒大小，孔结构等微观结构密切相关。因此，我们可以通过调节炭负载铁系元素催化剂的精细结构（如缺陷、孔隙率、界面、比表面积等）来提高催化剂的催化性能。最后，多个活性位点的相互作用对提高催化剂的催化性能至关重要。通过界面工程结合不同的活性位点是提高催化剂催化性能的重要手段。多种活性位点结合于一个催化剂中不仅可以提高ORR的催化性能，还可以同时实现多功能催化剂的构建。

图1 炭负载铁系元素催化剂示意图

中国海洋大学大学材料科学与工程学院博士研究生李平为该文章的第一作者，王焕磊教授为通讯作者。上述研究得到了山东省自然科学基金、山东省重点研发计划项目和中央高校基本科研业务费等项目的支持。

New Carbon Materials 文章信息

LI Ping, WANG Huan-lei. Recent advances in carbon-supported iron group electrocatalysts for the oxygen reduction reaction[J]. NEW CARBON  MATERIALS, 2021, 36(4): 665-682.

李平, 王焕磊. 炭负载铁系元素催化剂在氧还原反应中的应用研究进展[J]. 新型炭材料, 2021, 36(4): 665-682.

期刊官网：http://xxtcl.sxicc.ac.cn

国际版主页：https://www.sciencedirect.com/journal/new-carbon-materials

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