金属-空气电池由于具有高理论能量密度、高安全性和低成本等优势而备受关注。析氧反应(OER)是其空气电极关键的核心电化学反应过程。然而，催化剂缓慢的OER动力学阻碍了这些清洁能源系统的应用推广进程。为了避免过渡依赖高成本、低储量的传统贵金属(Ir和Ru基)催化剂，开发低成本、高丰度的过渡金属(TM)基化合物(TMCs)已经成为OER催化剂领域发展的重要方向。以过渡金属硫化物为例，虽然人们普遍认为其在OER催化过程中会发生表面重构，并且重构后的羟基氧化物是真正的活性中心，但是直接合成的过渡金属羟基氧化物的OER催化活性却远远达不到硫化物衍生出来的羟基氧化物。因此，本文推测硫元素在材料结构重构后的催化过程中仍然起着至关重要的作用，其作用机制亟待进一步深入探索。
针对上述关键问题，海南大学邓意达教授、郑学荣教授团队系统分析了过渡金属硫化物在氧析出过程中的结构演变规律，发现了表面重构后的微量硫对提升材料电化学活性具有重要作用；提出并发展了一种超快自发硫化技术，在羟基氧化物中直接构筑具有丰富高价态金属位点的羟基氧硫化物新型正极材料，其中硫的进入可以锁定高价态金属位点在材料结构中稳定存在，并有效调制近邻原子的电子结构；实验与理论计算相结合，阐明了正极材料中镍钴双金属同步活化工作机制和稳定的高价态Ni/Co-S价键结构是提升材料氧析出活性和稳定性的根本原因，为构筑高活性、高稳定性过渡金属氧硫化物电极材料提供了一种新思路；进一步利用该正极材料体系开发了全固态锌-空气电池器件，电池的功率密度达到110 mW cm-2，放电比容量达到721 mAh g-1，并且在反复弯折循环400次后仍然保持高功率稳定输出，电池整体性能达到目前该领域的先进水平。相关工作以海南大学为第一通讯单位发表在Advanced Energy Materials, 2022, 2103275.
图：(a)镍钴羟基氧硫化物(NCOSH)的晶体结构与微观形貌图。(b) NCOSH的同步辐射小波变换(MWT)结果。(c) NCOSH正极材料的差分电荷结构图。(d)以NCOSH为正极材料开发的柔性固态锌-空气电池及其工作照片。(e) NCOSH基柔性固态锌-空气电池长循环稳定性结果。
