随着科技长足进步，经济快速发展，人类对能源的依赖日益强烈。然而，伴随着占现阶段总能源供给85%的石油、天然气等不可再生能源的大量消耗，不仅会带来能源危机，还将引发空气污染、温室效应等一系列环境问题。尽管风能、太阳能和潮汐能等清洁能源已被应用，但受到地域以及气候等影响。由此，人们开始将目光关注到能量储存技术上。传统的铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池，由于其存在质量大、比能量小的问题。而在军事、航天等高科技领域开始被应用的燃料电池，不仅价格高、成本大，而且还有安全隐患问题。因此，出于对能源危机和环境问题的考虑，发展电动汽车以及军用/民用航空航天领域的储能电源和装备动力电源，需要开发高容量、大能量密度的二次可充电电池技术。可充电锌-空气电池因具有极高的理论能量密度、环境友好以及资源丰富的优势而被认为是下一代理想的军/民用电源技术。但由于缺乏高效且经济适用的电催化材料，致使其存在能量效率低、循环稳定性不佳等问题，从而大大限制了其实际应用。
　　近日，重庆大学徐朝和课题组从优化界面电子结构角度出发，并在早期发展的的“胶体粒子辅助溶剂热法”合成石墨烯复合凝胶的基础上，进一步发展了以“静电吸附作用”合成电催化剂的新方法，成功地将石墨烯量子点负载到镍基LDHs上，开发了一系列镍基LDHs@石墨烯量子点复合纳米片阵列结构作为高性能的氧电催化剂，在大幅改善氧析出催化活性的基础上，实现了可充电锌-空气电池性能的提升。该项工作还得到了重庆大学化工学院李莉教授在理论计算方面的大力支持。该论文近期发表在国际顶级期刊Nano Energy上。郭小龙博士（现为重庆师范大学物理与电子工程学院讲师）为本文第一作者、徐朝和教授为通讯作者。
　　研究发现，石墨烯量子点的引入，可使镍基LDHs与石墨烯量子点之间产生显著的“吸电子效应”，从而诱使镍基LDHs中的金属阳离子（Ni、Co、Fe、Mn）倾向于更高化学价态，最终达到提升LDHs材料OER催化活性的目的。其中，催化性能最佳的NiFe LDH@GQDs复合材料在10mA/cm2时的过电位只有189mV，已经可与目前文献报道的最好的OER催化剂媲美，远远超过目前的商用催化剂。DFT计算表明，吸附石墨烯量子点后，OER决速步的吸附活化能大幅降低，因此更有利于OER催化性能的改善。最终，以此构建的锌-空气电池的电化学性能得到了改善：其中，一次锌空气电池的功率密度最大为140.4mW/cm2、以锌计算的克容量为677.4mAh/g，可充电锌-空气电池可稳定循环500次以上、能量效率＞60%、充放电电势差值为0.75V且循环前后几乎不发生变化。

　　图1. 石墨烯量子点负载镍基LDHs的理论计算模型和OER过程的自由能变化过程图

　　图2. (a-b)石墨烯量子点负载镍基LDHs的合成过程和合成机理示意图; (c-l) 所合成催化剂的SEM、TEM、EDS等表征结果

　　图3. 构建的镍基LDHs催化剂的OER电催化性能

　　图4. 构建的锌空气电池的电化学性能
　　【结论】
　　1）发展了以“静电吸附作用”合成镍基LDHs@石墨烯量子点复合电催化剂的新方法，获得了高性能的氧电催化剂；
　　2）研究发现Ni/M-O-C (M = Fe/Co/Mn)键的形成和电子从LDHs到C-O键的转移可以显著增强OER的本征催化活性；
　　3）构建的NiFe LDH@GQDs复合材料在10mA/cm2时的过电位只有189mV，可与目前文献报道的最好的OER催化剂媲美。
　　Xiaolong Guo, Xingqun Zheng, Xiaolin Hu, Qiannan Zhao, Li Li, Peng Yu, Chuan Jing, Yuxin Zhang, Guangsheng Huang, Bin Jiang, Chaohe Xu*, Fusheng Pan, Electrostatic adsorbing graphene quantum dot into nickel–based layered double hydroxides: electron absorption/donor effects enhanced oxygen electrocatalytic activity, Nano Energy, 2021, DOI:10.1016/j.nanoen.2021.105932
　　作者简介：
　　第一作者：郭小龙  博士
　　通讯作者：徐朝和  研究员
　　通讯单位：重庆大学航空航天学院
　　郭小龙现为重庆师范大学物理与电子工程学院讲师，2016-2019年在重庆大学航空航天学院徐朝和教授指导下攻读博士学位。他的科研主要集中在功能性纳米结构材料设计及其在电容器、电催化及金属-空气电池中的应用研究。徐朝和目前是重庆大学长聘副教授、航空航天学院多功能复合材料与器件团队负责人。近年来致力于使用纳米技术解决能量存储及转换中的关键科学和技术问题。已在JACS、Nano Energy、SCI Bull、EES、JMCA等期刊上发表学术论文80余篇、申请发明专利7项。他主要从事可充电金属锂/钠电池、金属空气电池、固态电解质以及轻金属-硫电池研究。
　　文章来源：能源学人