可再充電Zn-空氣電池通常需要高效、耐用且廉價(jià)的雙功能電催化劑來支持氧還原反應(yīng)/析出反應(yīng)（ORR/OER），但必須解決緩慢的動(dòng)力學(xué)和大規(guī)模運(yùn)輸?shù)奶魬?zhàn)。
基于此，西安交通大學(xué)何成副教授和東北石油大學(xué)李智君教授（共同通訊作者）等人報(bào)道了一種介孔氮摻雜碳載體（NC）負(fù)載原子分散的Fe原子的催化劑（Fe SAs/NC）。含有Fe1N4O1位點(diǎn)的Fe SAs/NC在全pH范圍內(nèi)都具有顯著的ORR活性，在堿性、酸性和中性電解質(zhì)中的半波電位分別為0.93 V、0.83 V和0.75 V。在堿性下，在10 mA cm?2時(shí)OER的過電位為320 mV。此外，具有Fe SAs/NC的Zn-空氣電池在峰值功率密度、比容量和循環(huán)穩(wěn)定性方面均優(yōu)于Pt/C+RuO2基Zn-空氣電池。通過DFT計(jì)算，作者研究了Fe SAs/NC優(yōu)異催化活性的來源。作者對(duì)Fe1N4O1構(gòu)建了9種類型的模型，其中類型i的形成能最低，表明該結(jié)構(gòu)在能量上比其他結(jié)構(gòu)更有利。由于Fe1N4O1結(jié)構(gòu)獨(dú)特，對(duì)比Fe1N4結(jié)構(gòu)，更多的電荷從Fe中心轉(zhuǎn)移到附近的N和O元素上，表明O的誘導(dǎo)可以誘導(dǎo)Fe1N4中心周圍的電荷空間重分布，優(yōu)化了吸附含氧中間體的吸附/解吸行為，從而影響了催化性能。基于預(yù)測(cè)態(tài)密度（PDOS）和d-帶理論，F(xiàn)e1N4O1的d-帶中心下降至-0.90 eV，表明反鍵態(tài)的能級(jí)降低和占用率升高。此外，電子狀態(tài)的改變有助于調(diào)節(jié)Fe1N4中過于強(qiáng)烈的金屬-吸附劑相互作用。通過Bader電荷和差分電荷密度發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e1N4O1從Fe轉(zhuǎn)移到吸附O2的電荷量明顯降低，導(dǎo)致O2與Fe1N4O1之間的吸附減弱。從熱力學(xué)角度看，吸附減弱對(duì)ORR有利。Engineering the Electronic Structure of Single Atom Iron Sites with Boosted Oxygen Bifunctional Activity for Zinc-Air Batteries. Adv. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adma.202209644.https://doi.org/10.1002/adma.202209644.
