空氣電極的析氧反應(OER)和氧還原反應(ORR)的緩慢動力學顯著阻礙了高性能鋅-空氣電池(ZABs)的發(fā)展。在各種先進的空氣電極催化劑中，過渡金屬氧化物(TMOs)因其價格低廉、資源豐富，在OER/ORR中顯示出巨大的應用潛力，但與貴金屬基催化劑相比，其整體性能有待進一步提高。

最近的研究表明，金屬-氧鍵，特別是TMO中的金屬-氧鍵密切影響OER/ORR中間體的吸附和脫附，并進一步決定了反應動力學，從而在催化性能中發(fā)揮關鍵作用。因此，優(yōu)化金屬-氧鍵的結構可以提高催化劑的催化活性并進一步促進ZABs的發(fā)展，但仍存在重大挑戰(zhàn)。

基于此，同濟大學潘爭輝和華南理工大學丘勇才(共同通訊)等人提出了一種獨特的策略，通過離子交換實現非晶/晶異質結精確地調控金屬-氧鍵結構。

OER極化曲線顯示，Co_1-xSnO_3-y-Fe_z-A/C的過電位和Tafel斜率顯著低于非晶CoSnO_3-y-A，而當FeCl₃含量進一步增加時，Co_1-xSnO_3-y-Fe_0.024-A/C的活性降低，這可能是由于過多的晶相和較強的Sn-O鍵導致缺陷結構的減少。根據測試結果，Co_1-xSnO_3-y-Fe_0.021-A/C表現出最低的OER過電位(在10 mA cm^-2時為267 mV)，比CoSnO_3-y-A低84 mV，遠優(yōu)于貴金屬催化劑IrO₂以及報道最多的金屬氧化物催化劑。

同樣，ORR極化曲線表明，Co_1-xSnO_3-y-Fe_z-A/C的半波電位高于CoSnO_3-y-A且Tafel斜率較低。其中Co_1-xSnO_3-y-Fe_0.021-A/C的ORR性能最好，半波電位為0.81 V，極限電流密度為4.5 mA cm^-2，與最佳的ORR貴金屬催化劑Pt/C接近。Co_1-xSnO_3-y-Fe_0.021-A/C的OER/ORR電勢差為0.687 V，遠低于CoSnO_3-y-A(0.834 V)，這是鋅空氣電池(ZABs)迫切需要的優(yōu)良OER/ORR性能。

本文詳細地表征證實了離子交換誘導的非晶/晶結構增強了Sn-O鍵，削弱了Co-O鍵強度，并引入了額外的Fe-O鍵，伴隨著豐富的鈷缺陷和最佳的氧缺陷且催化劑具有較大的孔結構和比表面積。金屬-氧鍵結構的優(yōu)化以引入晶體結構為主，Fe-O鍵和富Co缺陷的引入進一步促進了金屬-氧鍵結構的優(yōu)化。因此，Co_1-xSnO_3-y-Fe_0.021-A/C的OER和ORR的過電位分別比非晶CoSnO_3-y顯著降低。

值得注意的是，基于Co_1-xSnO_3-y-Fe_0.021-A/C的鋅空氣電池表現出良好的輸出功率密度、循環(huán)性能和靈活性。本工作為調節(jié)金屬-氧鍵結構提供了新的靈感，加深了對金屬-氧鍵結構與催化活性之間關系的理解，從而合理設計高效的電催化劑。

Tailoring Metal–Oxygen Bonds Boosts Oxygen Reaction Kinetics for High-Performance Zinc-Air Batteries, Nano Letters, 2023, DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c00053.

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c00053.