圖2 柔性鋅空氣電池研究進展3. Generation of Nanoparticle, Atomic-Cluster, and Single-Atom Cobalt Catalysts from Zeolitic Imidazole Frameworks by Spatial Isolation and Their Use in Zinc–Air Batteries. Xiaopeng Han, Xiaofei Ling, Ying Wang, Tianyi Ma, Cheng Zhong, Wenbin Hu, Yida Deng.* Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 5359 –5364.簡介：深入理解和認識納米顆粒催化劑的尺寸效應是多相催化領域建立結構-性能關聯關系的熱點課題之一。單原子催化劑由于具有最小粒徑和最大活性位點利用率，近些年來備受關注。為了完全替代貴金屬材料，過渡金屬（TM，如Co、Ni、Fe）催化劑吸引了越來越多研究者們的興趣。盡管在傳統化學催化中開展了TM尺寸效應的大量研究（如鈷催化劑對費-托反應的尺寸效應），但TM催化劑尺寸對ORR/OER活性影響的研究還比較匱乏。此外，通過常規合成方法如熱處理、化學還原和浸漬法制備的上述過渡金屬顆粒的粒徑分布通常在納米尺寸的范圍內，使得在更小尺度范圍內（從納米顆粒到納米團簇甚至單個原子）研究金屬粒子粒徑對電化學性能的影響變的更加困難。沸石咪唑骨架（ZIFs）是金屬-有機骨架MOFs材料的重要分支，被用作合成過渡金屬和N-摻雜多孔碳（TM-N-C）復合材料的前驅體。在ZIFs形成過程中，異質原子引入的不僅可以調控金屬原子在ZIFs中的配位環境，而且可以提供一定的空間位阻緩解熱解過程中的團聚現象。盡管如此，具體的分隔機制還有待進一步的探討，實現從納米到埃尺寸TM顆粒的多尺度調控制備還存在很大挑戰。近日，我們通過精確調節雙金屬ZnCo-ZIFs前驅體中的鋅的摻雜量，成功地實現了鈷原子在原子水平上的空間分隔，在氮摻雜碳基底上制備出不同鈷原子聚集的鈷基催化劑：鈷納米顆粒、鈷原子簇和鈷單原子。此策略使得TM催化劑尺寸效應的研究到達單原子尺度。具體而言，通過調節ZIFs框架結構中的Zn/Co摩爾比，在熱解時，Co原子可以被引入的Zn原子在幾何上分隔到不同程度，分隔度最小為納米顆粒（Zn:Co=0:1），適中為原子簇（Zn:Co= 2:1），最大為單原子（Zn:Co=8:1）。其中，鈷單原子催化劑表現出最優的ORR活性，與商業化碳載鉑催化劑相當。此外，鈷單原子催化劑具有優于貴金屬Pt/C+RuO2的循環穩定性和鋅-空氣電池充放電行為。研究表明，單原子鈷具有較高的化學活性、與基底中的N配位保證了其穩定性、碳基底優良的導電性和豐富的孔結構、大的比表面積是該材料性能優異的主要原因。這項工作為通過空間分隔效應調控顆粒尺寸提供了參考，對深入理解納米催化劑尺寸-性能關系具有借鑒作用。
圖3. 雙金屬ZnCo-ZIFs 制備高效電催化劑4. Challenges in Zinc Electrodes for Alkaline Zinc-Air Batteries: Obstacles to Commercialization. Zequan Zhao, Xiayue Fan, Jia Ding, Wenbin Hu, Cheng Zhong,* Jun Lu.* ACS Energy Lett. 2019, 4, 2259-2270.簡介：可持續能源技術的發展是實現經濟持續增長、構建和諧社會的重大挑戰。近來，金屬空氣電池作為一種環保能源技術，由于其理論能量密度遠高于鋰離子電池，有望成為下一代電化學儲能電池。在各種金屬空氣電池技術中，鋅空氣電池因其能量密度高、成本低、安全環保等優點而具有廣闊的發展前景。鋅空氣電池的陰極活性物質是來自大氣中的氧，它是取之不盡的。一次鋅空氣電池目前已上市，并已成功地應用于低電流電器設備中，如助聽器。開發可充電的鋅空氣電池，在過去的十年中，研究人員已經探索了一些低成本、高容量的正極和負極材料，用于開發可充電的鋅空氣電池。二次鋅空氣電池已經在儲能設備和電動汽車上得到了初步應用，但到目前為止，二次鋅空氣電池在大規模商業化進程上仍有很大的改進空間。本文總結了限制可充電鋅空氣電池中鋅陽極存在的問題，并結合當前的相關學術研究，指明了鋅空氣電池陽極未來的發展方向。該工作通過分析鋅電極在電池使用過程中所存在的鈍化、枝晶生長和析氫腐蝕反應等關鍵問題對可充電鋅空氣電池的充放電性能，在現有研究的基礎上展望了克服鋅負極問題的關鍵途徑，為未來二次鋅空氣電池的商業應用打下基礎。
圖4. 鋅-空氣電池發展方向與應用前景5. Porous nanocomposite gel polymer electrolyte with high ionic conductivity and superior electrolyte retention capability for long-cycle-life ?exible zinc–air batteries. Xiayue Fan, Jie Liu, Zhishuang Song, Xiaopeng Han, Yida Deng, Cheng Zhong,* Wenbin Hu.* Nano Energy 56 (2019) 454–462.簡介：柔性鋅空氣電池由于其高的理論能量密度（1086 Wh kg–1），低成本和環境友好性的特點，是一種十分具有發展前景的儲能器件。柔性鋅空氣電池一般由鋅陽極、固態/半固體電解質、空氣陰極和封裝材料組成。其中，半固態/固態電解質起著電極之間的離子傳輸作用，其離子傳導率、界面接觸等性質將顯著影響柔性鋅空氣電池的性能包括循環壽命，倍率特性和功率輸出等。近年來，聚乙烯醇基堿性聚合物電解質（PVA–KOH）由于制備簡單、化學穩定性好而受到了廣泛關注，但是鋅空氣電池獨特的半開放結構對PVA–KOH電解質體系的保水性、離子傳導能力提出了挑戰。因此，具有高保濕性、高離子傳導率保持性的新型聚合物電解質的開發成為突破柔性鋅空氣電池領域一個關鍵挑戰的研究重點。由傳統PVA–KOH聚合物電解質體系組裝的鋅空氣電池具有以下問題：（1）由于PVA–KOH聚合物電解質中KOH的濃度較低而導致低的離子傳導率，（2）由于PVA的交聯結構而導致較為致密的聚合物基體從而使聚合物電解質的吸液性較差，（3）由于鋅空氣電池的半開放結構而使空氣電極一側水分易蒸發而對聚合物電解質的保濕性提出挑戰。為了解決上述問題，本文制備了一種多孔結構的PVA來改善其聚合物電解質總體的吸液性，另一方面，通過引入表面具有羥基的二氧化硅納米顆粒以提高電解質的保濕性（圖4）。并且，通過改變納米二氧化硅顆粒的引入量，獲得了具有最佳添加量（5 wt.%）的多孔納米二氧化硅復合PVA基聚合物電解質。該電解質表現出優異的離子電導率（57.3 mS cm–1）和電解質保持能力以及良好的熱學和機械性能，使用該電解質組裝的柔性鋅空氣電池表現出長達48小時的優異的循環穩定性，穩定的放電性能和較高的功率輸出。更值得一提的是，使用這種多孔納米二氧化硅復合PVA基聚合物電解質組裝的柔性鋅空氣電池可以為多種電子裝置提供動力，同時可以承受各種彎曲條件的變形而沒有任何性能降低。
圖5. 柔性鋅空氣電池的組裝示意圖和多孔納米二氧化硅復合PVA基聚合物電解質的制備方法及其內部結構6. Long-battery-life flexible zinc–air battery with near-neutral polymer electrolyte and nanoporous integrated air electrode. Yuan Li, Xiayue Fan, Xiaorui Liu, Shengxiang Qu, Jie Liu, Jia Ding, Xiaopeng Han, Yida Deng, Wenbin Hu, Cheng Zhong.* J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 25449–25457.簡介：柔性和可穿戴電子設備的迅速發展推動了對柔性電池的需求，鋅空氣電池因具高理論能量密度，環境友好特性和低成本等優勢而引起了廣泛的關注。但是，傳統堿性鋅空氣電池的應用受到（1）鋅陽極腐蝕和（2）枝晶生長以及（3）電解質快速碳酸鹽化等問題的嚴重限制。本文報道了一種基于近中性凝膠聚合物電解質的新型鋅空氣電池。該電解質具有較好的保水性和高離子電導率。相比于傳統堿性電池體系，本文中性鋅空氣電池表現出更好的環境友好性和鋅電極耐腐蝕性，并且可以有效避免碳酸鹽化問題。此外，利用具有擴大的界面接觸面積和催化部位的集成納米孔空氣陰極，其顯示出優異的柔韌性和高強度。基于以上優點，本文基于近中性凝膠聚合物電解質的鋅空氣電池在初始狀態下以及封裝保存10天后，可實現70小時的循環壽命，相比于堿性電解質體系，電池的循環壽命以及儲存壽命均顯著提高。本文的柔性鋅空氣電池還可以根據應用的形狀和尺寸進行組裝，以滿足各種應用的空間和能量需求，并且在不同的彎曲條件下電池仍可以穩定工作而不會降低性能。
圖6. 電池結構示意圖，中性鋅空氣電池反應機制以及電池充放電循環性能7. Recent advances and challenges in divalent and multivalent metal electrodes for metal–air batteries. Yangting Sun, Xiaorui Liu, Yiming Jiang, Jin Li, Jia Ding, Wenbin Hu, Cheng Zhong.* J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 18183.簡介：金屬空氣電池（MAB）具有極高的理論能量密度，并且在成本、環保性和安全性方面具有優勢，因此近年來受到了廣泛的關注。MAB的性能與其金屬電極密切相關，枝晶、形變、腐蝕、鈍化等問題嚴重制約了MAB的發展和商業化。目前研究較多的金屬電極材料除了Li、Na、K等堿金屬，還有Zn、Al、Mg、Fe等二價或多價金屬。這些不同金屬電極工作時遇到的問題有相似也有差異，因此，系統性地總結不同金屬電極面臨的挑戰以及相應的應對策略和研究進展是非常必要的。本文系統闡述了金屬空氣電池中金屬電極面臨的瓶頸問題以及應對這些問題的最新研究進展。本文重點關注了Zn、Al、Mg、Fe等常見金屬空氣電池，從金屬電極的角度比較了這幾種體系的優勢和短板。通過歸納腐蝕、鈍化、枝晶等問題以及相應的調控策略在這些金屬電極中的相似和差異，可以更好地指導未來研究。此外，由于金屬電極的性能與電解質密不可分，本文對致力于通過改進電解質來提升金屬電極性能的研究也進行了總結。
圖7.（a）金屬電極分類，（b）電解質分類，（c）水系和非水系金屬空氣電池中金屬電極面臨的典型問題，（d）枝晶、形變、腐蝕、鈍化等金屬電極常見問題的示意圖團 隊 介 紹胡文彬教授：博士生導師，國務院政府津貼獲得者，現任天津大學材料學院院長。國家杰出青年基金獲得者、國家萬人計劃領軍人才，國家科技部“863”計劃新材料領域主題專家組成員，長期從事關鍵能源材料及表界面科學與工程研究，是科技部及天津市重點領域創新團隊負責人。在國內外學術刊物發表SCI收錄論文300余篇，出版著作或教材4部。獲得國家授權發明專利50余項。作為第一完成人，獲得國家科技進步二等獎1項、省部級一等獎3項。先后任中國材料研究學會青年委員會高級理事、腐蝕與防護學會常務理事，任Science China Materials、無機材料學報、中國有色金屬學報等學術期刊編委。鄧意達教授：博士生導師，2006年獲上海交通大學博士學位，長期從事金屬微/納功能材料的結構控制與功能調控研究，先后主持科技部重點研發計劃課題2項、國家自然科學基金面上2項、青年1項等科研項目20余項。累計發表SCI論文132篇，他引2400余次，ESI高被引論文10篇。研究成果獲國家科技進步二等獎1項(第五位)和省部級科技進步一等獎2項。鐘澄教授：博士生導師。2004年獲復旦大學學士學位，2009年獲復旦大學博士學位。入選國家萬人計劃青年拔尖人才、國家優秀青年科學基金、天津市杰出青年科學基金等人才計劃。主持國家重點研發計劃子課題、國家自然科學基金面上項目等。任Frontiers in Chemistry副主編，International Journal of Minerals Metallurgy and Materials編委。圍繞電池電化學和電化學冶金方面，在Chem. Soc. Rev., Nature Comm. Adv. Mater., ACS Energy Letters, Adv. Energy Mater., Angew. Chem., Int. Ed., ACS Nano等刊物發表SCI收錄論文130余篇，出版英文著作1部。獲得國家授權發明專利10余項，并有多項專利獲得轉讓。丁佳教授：博士生導師，入選海外高層次人才引進計劃青年項目。圍繞電化學儲能關鍵材料與先進技術方向展開長期深入的研究，以第一/通訊作者在Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Chem. Rev.、ACS Nano、Angew. Chem., Int. Ed.、Adv. Energy Mater.等國際知名學術期刊發表論文30余篇，8篇入選ESI熱點論文和高被引論文，引用3000余次。申請美國專利6項，授權1項。應邀擔任包括 Nat. Commun.， Adv. Energy Mater.在內的化學與材料領域國際學術期刊審稿人。韓曉鵬副教授：2015年于南開大學獲博士學位，2019年在香港科技大學做訪問學者。主要從事能源微納材料的結構調控制備及器件性能研究，主持國家自然科學基金面上、青年等項目，在Nature Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem., Int. Ed.等期刊發表SCI論文100余篇，被引4600余次，ESI高被引17篇，h-index=35；申請國家發明專利20余項，入選中國科協青年托舉計劃，擔任Front. Chem.期刊客座編輯，獲天津市自然科學一等獎。陳亞楠副教授：2017年獲北京科技大學/美國馬里蘭大學冶金工程/材料學博士學位，2017~2019年入選清華大學生命科學學院高精尖創新中心卓越學者。2019年5月入選“北洋學者”計劃，擔任天津大學材料學院副教授。主要從事新型材料制備及其在能源、環境、生物中的應用。主持重大研究計劃（培育項目）等。現已在Nature Energy、Nature Comm.、Science Advances、JACS、PNAS、Adv. Mater.等期刊發表研究論文近50篇，其中以第一/通訊作者在高影響力期刊（IF>10）上發表研究論文20余篇，論文引用2100余次，多篇論文入選高被引論文。申請美國專利4項，國內專利多項。
