界面微环境控制中性锌空气电池中2e?和4e?的氧还原反应

《Chem Catalysis》：Interfacial microenvironments control 2e? and 4e? oxygen reduction in neutral zinc-air batteries

　　

整体视角

高效转换和储存电力是可持续能源系统的核心。氧还原是金属-空气电池中的关键反应，但它可以遵循不同的电子转移路径并产生不同的化合物。控制这一过程至关重要，因为它决定了电池的化学性质和能量效率。目前，调整氧还原过程的努力主要集中在催化剂组成和周围电解液上，而局部反应环境的作用则相对较少被关注。

在本文中，我们发现在中性锌-空气电池的不同相界中存在不同的反应路径。电极、电解液和气体接触的区域倾向于通过两个电子的路径生成过氧化锌，而电极仅与液体接触的区域则更倾向于通过四个电子的路径进行反应。氧的可用性和羟基自由基的局部稳定作用有助于解释这种空间选择性。这些发现将固体、液体和气体的物理排列与氧还原的化学结果联系起来。这一理解表明，控制润湿性和气体的可及性有助于针对特定的反应路径和能量效率来定制电池电极。此外，这也为探索更具选择性的电化学合成提供了基础。从长远来看，将这些原理应用于耐用且可扩展的设备中，有助于实现联合国可持续发展目标7（即提供负担得起和清洁的能源）。要实现这一目标，需要确定在实际电极中使用这些微环境时能否可靠地维持其稳定状态。

亮点

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界面微环境控制中性锌-空气电池中的氧还原过程

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三相界面有利于两个电子的氧还原和过氧化锌的形成

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两相界面有利于四个电子的氧还原

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局部羟基自由基的稳定促进了四个电子的还原路径

总结

氧还原反应（ORR）是金属-空气电池和选择性电化学合成的基础，但界面异质性如何控制其电子转移路径仍不清楚。在这项研究中，我们利用基于液滴的电化学平台，在中性锌-空气电池的固-液-气三相界面（TPIs）和固-液两相界面（DPIs）上解析了ORR的选择性。在三相界面处，两个电子的氧还原占主导地位，生成过氧化锌；而在两相界面处，四个电子的氧还原占主导地位，生成碱式锌 triflate 水合物。这种路径选择性源于不同的局部微环境：在三相界面处，氧气的富集促进了两个电子的还原；而在两相界面处，羟基自由基（HO·）的稳定作用使得四个电子的还原成为可能。电子顺磁共振测量和模拟结果证实了这种微环境依赖性的羟基自由基稳定作用。这些发现表明，通过调控界面微环境可以控制多电子氧电化学过程，并为设计选择性电化学合成和能量转换界面提供了理论框架。

图形摘要