近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所能源材料研究中心研究員張濤團(tuán)隊(duì)在空氣正極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和催化調(diào)控研究中取得系列進(jìn)展，基于“金屬納米鉆”技術(shù)制備出嵌合納米金屬釕的自支撐碳基空氣正極。研究團(tuán)隊(duì)通過精確控制金屬催化劑在碳載體中的嵌入位置，可控調(diào)節(jié)了碳與金屬催化劑的接觸界面及嵌合催化劑的電子結(jié)構(gòu)。研究通過同步輻射及第一性原理計(jì)算驗(yàn)證了碳微米管和釕顆粒間存在著明顯的電荷轉(zhuǎn)移，局部嵌入的納米釕顆粒表現(xiàn)出梯度催化特性。將該材料用于鋰氧氣電池空氣正極，可調(diào)控空氣正極的放電產(chǎn)物形貌，在不同放電深度下得到納米片及薄膜-環(huán)狀產(chǎn)物復(fù)合的放電產(chǎn)物。此空氣正極在3500mAh/g的大容量循環(huán)中實(shí)現(xiàn)了較高能量效率(≥ 80 %)。該成果突破了空氣正極單一固相催化劑ORR和OER催化活性難以兼顧的瓶頸，為鋰氧氣電池的空氣正極設(shè)計(jì)提供了新思路。相關(guān)研究成果以Chimerism of Carbon by Ruthenium Induces Gradient Catalysis為題，發(fā)表在Advanced Functional Materials上，被選為Hot Topic: Carbon, Graphite and Graphene，該成果已申請(qǐng)一項(xiàng)國家發(fā)明專利。

“金屬納米鉆”是該團(tuán)隊(duì)提出的一種金屬輔助化學(xué)刻蝕技術(shù)。針對(duì)碳載體中孔結(jié)構(gòu)難以精確調(diào)控的難題，該團(tuán)隊(duì)提出將金屬催化劑與碳活化結(jié)合的構(gòu)想，通過引入非貴金屬(如鎳)或貴金屬(如釕)，一方面，可實(shí)現(xiàn)對(duì)SP2/SP3碳材料進(jìn)行催化刻蝕，得到從介孔到大孔的分級(jí)多孔碳載體;另一方面，通過調(diào)控碳載體中嵌入的納米金屬的位置，制備出一體化的碳/限域金屬催化劑復(fù)合材料。相關(guān)研究成果以Metal nano-drills directionally regulate pore structure in carbon為題，發(fā)表在Carbon上，該成果已申請(qǐng)兩項(xiàng)國家發(fā)明專利。

研究工作得到國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和青年科學(xué)基金項(xiàng)目、上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃高新技術(shù)領(lǐng)域項(xiàng)目、國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任基金等的支持。