近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所能源材料研究中心研究員張濤團隊在空氣正極結(jié)構(gòu)設(shè)計和催化調(diào)控研究中取得系列進展，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。研究團隊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算驗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，該成果已申請一項國家發(fā)明專利。

“金屬納米鉆”是該團隊提出的一種金屬輔助化學刻蝕技術(shù)。針對碳載體中孔結(jié)構(gòu)難以精確調(diào)控的難題，該團隊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，可實現(xiàn)對SP2/SP3碳材料進行催化刻蝕，得到從介孔到大孔的分級多孔碳載體;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，該成果已申請兩項國家發(fā)明專利。

研究工作得到國家自然科學基金面上項目和青年科學基金項目、上海市科學技術(shù)委員會科技創(chuàng)新行動計劃高新技術(shù)領(lǐng)域項目、國家重點實驗室主任基金等的支持。