中美联合研究团队成功将锰基莫来石用于镁空气电池催化剂

金属空气电池因其原材料丰富、能量密度高、轻便、安全环保等优点，而被称为21世纪最具开发前景的绿色能源之一。然而，寻找高性价比的氧还原催化剂是开发金属空气电池的关键难题，也是制约金属空气电池在电动汽车等领域广泛应用的“瓶颈”。

日前，南开大学电子信息与光学工程学院王卫超教授、美国休斯敦大学姚彦教授联合研究团队，成功将锰基莫来石材料作为催化剂应用于镁空气电池。相较于传统贵金属催化剂，该材料成本大幅降低，可在中性电解液中稳定工作，其优越的催化活性极大提高了镁空气电池的效率。这也是莫来石材料首次在氧还原反应中得到应用。

金属空气电池是以金属为燃料，与空气中的氧气发生氧化还原反应产生电能的一种特殊燃料电池。它以空气中的氧作为正极活性物质，金属锌(或铝、镁)作为负极活性物质。空气中的氧气可源源不断地通过气体扩散电极到达电化学反应界面与金属反应而放出电能。

然而，在金属空气电池中，氧还原(ORR)催化剂直接决定着电转化效率、电池成本和寿命等。传统的ORR催化剂主要是贵金属和金属螯合物，但是贵金属储量有限，成本过高;金属螯合物的品种较少，制备过程复杂等因素都限制了这两类催化剂的应用。随着氧电极技术的发展及降低电池造价的需要，寻找一种既价格低廉，又对氧还原有很好的催化活性的催化剂成为燃料电池研究的重要课题之一。

镁空气电池在碱性条件下金属表面极易钝化而使催化反应无法继续，良好的工作环境必须在中性溶液中实现，这对ORR催化剂设计提出了很大的挑战。

“莫来石是一类陶瓷材料。之前几乎没有人想过用它来做金属空气电池的催化剂。”王卫超说，这一想法源于他4年前所做的一项处理柴油机尾气中氮氧化物的研究。他在实验中发现，在将一氧化氮转化为二氧化氮的过程中，锰基莫来石材料表现出优良的催化效果。该成果2012年发表于《科学》杂志。

“我们认为，锰基莫来石材料和氧的相互作用非常关键。我们预测，涉及到和氧相关的催化过程，莫来石材料或许都可以应用。”王卫超说。

基于这样一个大胆的设想，王卫超找到了具有丰富空气电池研发设计经验的美国休斯顿大学姚彦教授，组成联合研究团队。经过大量实验和理论研究，他们终于成功将锰基莫来石材料首次应用为镁空气电池的ORR催化剂，在中性溶液氯化钠(NaCl)溶液中，实现ORR反应过电势达到0.78 V，已经接近贵金属铂催化剂的性能(0.7 V)，且材料稳定性能优于贵金属。

“首先是成本大幅降低。以前用铂，价格论克算，一克至少是人民币200元。现在用莫来石，以吨计数。其次，是它更加稳定，可以更多次重复反应，这就意味着电池寿命的延长。第三，这是莫来石材料首次在金属空气电池中的应用，为莫来石材料在电化学中的新应用开辟了新路。”姚彦教授说。

锰基莫来石催化剂的制备及理论性能预测由王卫超教授课题组完成。姚彦教授课题组实现了应用锰基莫来石催化剂的镁空气电池的设计，并试制出原型纽扣电池。原型电池的输出电压可以驱动一个红色LED灯，说明催化剂具有着较好的催化活性，有着巨大的应用潜力。

据了解，该研究得到中组部“青年千人”、国家自然基金面上项目(21573117)以及美国国家自然基金(CMMI-1400261)支持。介绍该合作成果的论文已被国际著名学术刊物《Nano Energy》(《纳米能量》)在线发表。