香港理工大学倪萌教授、刘通博士ACB：开启用于锌空气电池的氧还原/碘氧化（ORR/IOR）双功能催化剂研究领域
【文章信息】
铂碳可作为双功能ORR/IOR催化剂用于锌空气电池并实现76.5%的超高能量效率
第一作者：赵思原
通讯作者：倪萌，刘通
单位：香港理工大学
【研究背景】
锌空气电池由于其安全，便宜，放电平稳的特性，是一项非常有前景的新能源技术。然而传统锌空气电池能量效率较低（通常为60%），且较高的充电电压（约为2V）会严重腐蚀空气电极，导致电池性能下降甚至电池失效。最近有研究指出在电解液中添加碘离子可将电池充电过程中动力学缓慢的氧析出反应（OER）转变为动力学快速的碘氧化反应（IOR），从而使充电电压降低。不过我们发现，这些研究中使用的催化剂仍然是经典的双功能氧还原（ORR）/氧析出（OER）催化剂，例如Pt/C-RuO2, Pt/C-Co3O4等等，研究者们似乎并未意识到在IOR替代OER后，应该使用既可以催化ORR也可以催化IOR的双功能催化剂。
【文章简介】
基于此，香港理工大学倪萌教授团队首次提出双功能ORR/IOR催化剂的概念，并通过理论计算和实验验证ORR基准催化剂Pt/C本身便是一种非常优异的ORR/IOR催化剂。所组装的锌空气电池在5 mA cm-2的电流密度下也显示出了1.69V的充电电压，76.5%的能量效率，以及提升了8倍的循环寿命。文章以题为“Pt/C as a bifunctional ORR/iodide oxidation reaction (IOR) catalyst for Zn-air batteries with unprecedentedly high energy efficiency of 76.5%”发表于国际知名期刊Applied Catalysis B: Environmental。
【本文要点】
要点一：碘氧化反应过程的描述
Pt/C是一种ORR性能非常好但OER性能非常差的催化剂。但在KOH溶液中加入KI后，Pt/C的起始氧化电位大大降低，且通过原位显微镜观察到Pt/C电极表面并未有气泡生成，说明IOR替代了OER反应。拉曼图谱验证了碘离子氧化的最终产物为碘酸根离子。CV曲线中碘的氧化峰A显著大于还原峰C，暗示碘的氧化反应是一个电化学-化学过程，高扫速下B峰的出现说明碘离子的氧化过程是先氧化为碘单质，碘单质在碱性溶液中迅速歧化为碘离子和碘酸根离子。
图1. IOR现象以及碘离子氧化过程
图2. 显微镜原位观察Pt/C电极表面的氧气泡生成情况
