贵金属基双功能电催化剂的开发是驱动可充电锌-空气电池缓慢氧还原/析氧反应（ORR/OER）的关键。目前迫切需要设计和构建稳定且具有成本效益的双功能电催化剂。

近期，中国地质大学（武汉）汪锐副教授提出了一种构建具有核壳纳米结构的Ruddlesden-Popper（RP）钙钛矿/CeO2/碳异质结的界面工程策略。在RP型钙钛矿Pr₃Sr（Ni_0.5Co0.5）₃O_10-δ（PSNC）纳米纤维表面修饰了Ce基金属-有机骨架衍生的CeO₂-C纳米片。得益于良好的导电性、丰富的氧空位和较强的界面耦合，分层CeO₂-C/PSNC电极在 10mA/cm2时的半波电位为0.78V（ORR），OER过电位为370mV。以CeO₂-C/PSNC电催化剂为空气阴极组装的液态可充电锌-空气电池（ZAB）显示出161mW/cm²的峰值功率密度和超过219h的长期循环寿命。此外，基于CeO₂-C/PSNC的全固态电缆式ZAB还具有较高的开路电压（～1.44 V）、良好的柔性和耐用性。总体而言，本研究通过构建分层异质结，为可充电ZAB的高效电催化剂的设计提供了新的视角。

图1.CeO₂-C/PSNC样品的制备过程示意图。

图2.（a）PSNC、（b）Ce-MOF/PSNC和（c）CeO₂-C/PSNC的SEM形貌；（d）CeO₂-C、PSNC和CeO₂-C/PSNC的XRD图谱；（e）氮气吸附-解吸等温线和相应的孔径分布曲线（误差估计：±5m²/g，重复实验次数：3）。

图3.（a）CeO₂-C/PSNC的TEM图像，（b-c）高倍率TEM图像。（d）对应元素映射（晶格条纹间距的误差估计：±0.002nm）。（e）红线扫描区域中中空CeO₂-C/PSNC的EDS线映射（基于三次重复实验）。

图4.（a）CeO₂-C/PSNC和CeO₂-C样品在空气中的TG曲线。电催化剂系列的（b）Ce3d、（c）Co2p、（d）Ni2p和（e）O1s的XPS光谱比较（误差估计：±0.1eV）；（f）相应的EPR光谱（重复实验次数：3）。

图5.（a）在旋转环盘电极上以1600rpm的转速测量PSNC、CeO₂-C/PSNC、CeO₂-C和商用20%Pt/C的ORR性能。（b）电子转移数和过氧化物产量（HO^2-%）。（c）双层电容。（d）在O₂饱和的0.1M KOH中，当转速为1600rpm时，PSNC、CeO₂-C、CeO₂-C/PSNC、商用RuO₂和IrO₂的OER LSV曲线（误差估计：±10mV）。（e）相应的Tafel图。（f）EIS奈奎斯特图（误差估计：±1Ω）。（重复实验次数：3）。

图6.（a）CeO₂-C/PSNC在初始和第1000次循环时的ORR极化曲线。（b）CeO₂-C/PSNC在初始和第1000次循环时的OER极化图。（c）ORR和OER的LSV总体曲线（误差估计：±2mV，重复实验次数：3）。（d）本研究和已报道的催化剂在特定条件下的电压差。

图7.（a）液态ZAB的结构示意图。（b）使用CeO₂-C/PSNC、PSNC和20%Pt/C-IrO₂作为阴极的ZAB的充电和放电极化曲线以及相应的功率密度图。（c）不同电流密度下的倍率性能。（d）10mA/cm²下的恒电流放电曲线（误差估计：±5mAh/g）。（e）10mA/cm²下的长期充放电循环曲线（误差估计：±10个循环）。（重复实验次数：3）。

图8.（a）电缆式ZAB的示意图。（b）基于CeO₂-C/PSNC的电缆式ZAB的开路电位（误差估计：±10mV）。（c）0.5mA/cm³和1mA/cm³时的恒电流长时间充放电曲线（每个循环12分钟），以及1mA/cm³时，分别在40℃和4℃下工作的充放电曲线。（d）当放电电流密度为1mA/cm³时，在40℃和4℃下工作的放电曲线（误差估计：±5mAh/g）。（e）不同形状在1mA/cm³时的充放电曲线（误差估计：±2个循环）。（重复实验次数：3）。

该工作以“Interface engineering of Ruddlesden–Popper perovskite/CeO2/carbon heterojunction for rechargeable zinc-air batteries”为题发表在《Journal of Colloid and Interface Science》（DOI:10.1016/j.jcis.2023.09.138）上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.09.138