可充放电锌-空气电池的实际应用需要低成本、高效且稳定的还原反应（ORR）和氧析出（OER）双功能催化剂。目前，大多数已报到的非贵金属双功能催化剂都是以碳材料为载体的过渡金属-碳复合材料为基础开发的。然而，在电化学反应过程中，尤其是OER的强氧化环境下，存在着碳材料的电化学氧化，这将导致催化剂活性组分的损失或团聚，降低其催化活性和稳定性。为了缓解这个问题，已有一些策略被相继提出，包括使用耐腐蚀的TiO2包覆碳材料载体，使用导电的TiN材料作为载体替代碳材料或者发展钙钛矿氧化物作为催化剂。然而，TiO2和钙钛矿氧化物都有其固有缺点-低导电性，而TiN虽然具有很好的导电性，但是由于其无缺陷的表面结构，也不是获得高分散、高活性催化剂的最佳载体材料。因此，本研究的目的是开发一种同时具有良好导电性和抗氧化性能的载体，同时实现高催化活性和增强的耐久性能的锌空气电池双功能催化剂。基于团队对半导体物理和固-气催化中氧空位(OVs)的进一步理解，提出了一种不同的催化剂支撑设计策略，以富OVs、低带隙半导体为重点。
【成果简介】
【图文导读】
a）富含OV半载体负载过金属作为高导电性高活性和稳定性电催化剂设计策略；
b）3DOM-Co@TiOxNy催化剂的制备方法示意图；
c）3DOM-Co@TiOxNy在OER反应前后的XRD图谱；
d）3DOM-Co@TiOxNy的SEM图像；
e）3DOM-Co@TiOxNy的STEM图像；
f）3DOM-Co@TiOxNy的STEM-电子能量损失谱（STEM-EELS）元素分布图（Ti、Co、O、N和C）。
a）高倍STEM图像和Ti、Co、O、N和C元素的EELS元素分布；
b）3DOM-Co@TiOxNy的导电性；
c-f）在恒定电位1.60Vvs.RHE时，3DOM-Co@TiOxNy经过16小时的OER半电池测试前后的Ti2p、Co2p、N1s、O1s的XPS光谱；
g）3DOM-Co@TiOxNy中的Ti-L，O-K和Co-Ledge的EELS光谱的比较；
h）OER反应16小时前后Ti2p和Co2p价态示意图。
a）Co4团簇分别在还有OV和完整化学计量的TiO和TiO2（110）晶面上最稳定的几何形状和相应的结合能：蓝色（Co），青色（Ti），红色（O）；
b,c）不同3DOM复合材料在0.1mKOH电解液中分别以900和1600rpm在10mVs-1的扫描速率下获得ORR和OER的LSV曲线；
d）3DOM-Co@TiOxNy催化剂在10mAcm-2的恒定电流密度下的半电池OER测试稳定性；
e）由3DOM-Co@TiOxNy催化剂制备的锌-空气电池展示；
f）锌-空气电池的充电和放电极化曲线；
g）锌-空气电池的功率密度图；
h）3DOM-Co@TiOxNy和Pt/C+Ir/催化剂组装的锌-空气电池的循环性能测试比较。
【小结】
基于OV在半导体物理中电导率影响的认知及其在传统气-固非均相催化剂中的SMSI的理解，团队提出了一种新型的具有高导电性、高活性和稳定性的双功能催化剂设计策略，并成功开发出了由3DOM-TiOxNy半导体支撑的超精细纳米Co材料。得益于TiOxNy支撑的OV特性，包括高导电性、抗氧化性和SMSI稳定超细Co，3DOM-Co@TiOxNy材料表现出优异的ORR-OER催化活性和循环稳定性：在20mAcm-2下实现了超过900次充放电循环（300h）。本研究提出的催化剂设计策略可作为可充放电锌空气电池或其他储能系统中高性能催化剂载体材料的选择和设计的基础。