氧还原反应(ORR)是燃料电池和金属空气电池等下一代能量存储和转换系统中非常重要的半反应。但多步且缓慢的电子转移和低效率的质量传递导致了缓慢的ORR动力学，极大地阻碍了上述电池的发展。因此，研究可以同时实现快速电荷转移和质量传递的高效催化剂以改善上述问题是十分必要的。通过构建异质结构调控催化剂的电子结构，可以有效促进ORR过程中的电子转移；而通过构筑分层级的多孔结构以提供高效的质量传递路径，是实现快速的质量传递的有效途径之一。但构建能同时实现上述两种特性的催化剂仍充满挑战。
图1. 异质分层级多孔催化剂的设计思路和HPCM-5催化剂的形貌、结构表征。a）ORR过程中，在不同电催化剂上的电子转移和质量传递的示意图。左：未修饰的催化剂表现出缓慢的电子转移和质量传递。中：分层级多孔的电催化剂实现快速的质量传递，但是其电子转移较为缓慢。右：分层级多孔Mott-Schottky型电催化剂实现快速的电子转移和质量传递。b–d）HPCM-5的扫描电镜和e，f）透射电镜图。（（e）插图：选区电子衍射）。g）HPCM-5的高分辨透射电镜图和h）EDX元素分布图。
针对以上问题，西安交通大学理学院丁书江教授、肖春辉副教授课题组通过界面调控和结构设计制备了类水母状的Mott-Schottky催化剂，该催化剂可以促进ORR过程中的电子转移和质量传递。由于Mott-Schottky效应，电子在Fe和N掺杂的石墨化碳（NG）界面上重新分布，提高了催化位点的活性，有效促进电荷转移。半封闭的空腔结构和触手状的碳纳米管（CNTs）增强了活性物质和活性位点的碰撞，分层级的多孔结构提高了ORR过程中的质量传递。该工作加深了对ORR过程中电子转移和质量传递重要性的理解，并为构建高效的Mott-Schottky催化剂构建了新的途径。
该文章以《Simultaneously Realizing Rapid Electron Transfer and Mass Transport in Jellyfish-Like Mott–Schottky Nanoreactors for Oxygen Reduction Reaction》为题，在期刊Advanced Functional Materials（IF：15.6）上发表。本文的第一作者是理学院博士生孙泽慧，博士生王元坤，电气学院博士生张立波。西安交通大学作为唯一作者单位。
该工作受到国家自然科学基金(No. 51773165)，交大青年拔尖人才支持计划，陕西省创新能力支撑计划(No. 2018PT-28, 2019PT-05)资助，得到电力设备电气绝缘国家重点实验室和西安交通大学分析测试共享中心的支持。
论文链接为：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201910482
丁书江教授主页：http://gr.xjtu.edu.cn/web/dingsj
