1.1锌空电池的研究进展与前景

近年来，随着不可再生的传统化石能源的不断消耗和环境污染等问题逐渐突出，我们的社会正在从化石燃料经济向可再生能源和清洁能源经济转型。可持续能源的收集，转换和储存成为了全世界人们热点关注和研究的方向。电池长期以来因其可以有效地转换能量和存储电能得到了广泛的认可。如今，电池的应用从便携式电子产品拓展出了许多其他应用，从电网规模的能量存储到电动车辆。在多种不同类型的电池中，锂离子电池技术自问世以来一直凭借其较高的比能量和能量密度主导消费市场。

然而锂离子电池因为其在高温条件下容易起火甚至爆炸，此外锂离子电池受阳极和阴极材料的限制，充放电容量有限。为了寻找更安全高效的锂离子电池的替代品，具有卓越的理论能量密度的金属-空气电池最近受到了人们的广泛关注。这些系统通过适当的电解质使金属负极与空气正电极电化学耦合。^[3]金属-空气电池介于传统电池和燃料电池之间。具有传统电池以金属作为负极的设计特点，与传统燃料电池也有相似之处。金属-空气电池的多孔正电极结构需要从周围空气中连续不断地供给氧气作为反应物，这使它们的理论能量密度非常高，比锂离子电池高出约2 -10倍。^[1]

在不同类型的金属-空气电池中，锌空电池具有相对成熟的技术，在未来的能源应用领域最具前景。锌空电池最早的商业产品自20世纪30年代开始出现，该电池的理论能量密度高达1086Wh kg-1（含氧），比目前的锂离子电池技术高出约五倍。于此同时，它们的制造成本很低（lt;10＄kw-1 h-1，比锂离子低约两个数量级）。^[1]尽管锌空电池起步较早且潜力巨大，但由于存在一些与金属电极和空气催化剂相关的问题，锌-空气电池的发展受到了阻碍。到目前为止，初级锌-空气电池已经成功地应用于医疗和通讯领域,是锂离子电池很有潜力的替代品。由于空气催化剂效率低，尽管它们的理论能量密度高，但输出功率低。此外，长循环寿命的可充电锌-空气电池的发展一直受到锌的溶解和沉积不均匀等问题的困扰，尤其是缺乏令人满意的水氧化催化剂或者双功能空气催化剂。

1.2高效双功能催化剂的发展历程

高活性的双功能空气ORR和OER催化剂是提高能量储存和转换效率和循环稳定性的关键。迄今为止，贵金属氧化物（如RuOx、IrOx等）是活性最高的固态水氧化催化剂。^[2]但是，贵金属Ir和Ru在地壳中的储存量低（丰度还不足0.001ppm），它们甚至比铂（Pt）和金（Au）还要稀缺。铱、钌极低的丰度和极高的价格无疑严重地制约了电催化剂的广泛应用。而且这些催化剂的稳定性不好，在阳极极化条件下容易发生腐蚀。^[3]此外，单一贵金属不能同时作为双功能催化剂为ORR和OER提供足够的活性。

因此，探索高丰度的廉价元素（非贵重过渡金属）构成的高效、稳定的水氧化催化剂或者双功能催化剂，对提高水裂解效率乃至实际应用都是至关重要的。过渡金属化合物（尤其是第一过渡金属化合物）因其具有多样性和可变性等特点，被广泛应用于储能和能量转换领域。

1.3双金属LDHs结构作双功能电催化剂的优势

层状双金属氢氧化物（LDHs），作为一类典型的二维材料，由于其可调的组合、独特的结构和大的比表面积，在电催化方面吸引了越来越多的关注。^[11]各种二元催化剂体系（例如，NiFe、NiCo、CoFe-LDHs）已被用于对高性能OER催化剂的研究。^[16]纯金属氧化物由于低导电性以及活性位点少阻碍了电荷传输，表现出低的催化活性。过渡金属的层状双氢氧化物（LDHs）因其具有组分可调、比表面积大等优点，成为最近氧气析出反应（OER）催化剂研究的热点。^[6]

有研究表明，相比于其他过渡金属元素，Ni、Fe及Co元素所构成的水氧化催化剂或者双功能催化剂具有较为突出的催化活性。^[17]考虑到利用双金属可以提供更多的可变价态和活性位点，因此我们选择双金属LDHs（FeCo-LDHs）高效电化学反应催化剂作为我们的研究基础，并探究其在三维柔性基底（泡沫镍）上的形貌组分控制。并以FeCo-LDHs为基础进行改性，以获得可适应复杂催化环境的高效氧催化剂，为锌空空气电池中催化剂的研究提供新的思路。