可充電鋅-空氣電池(ZABs)由于其低成本、固有安全性、高理論能量密度/容量等優(yōu)點(diǎn)而具有很高的發(fā)展前景?？沙潆婁\-空氣電池在充/放電過(guò)程中涉及到空氣陰極的氧還原反應(yīng)(ORR)和析氧反應(yīng)(OER)，其動(dòng)力學(xué)決定了可充電鋅-空氣電池的整體效率。因此，開(kāi)發(fā)高性能的ORR/OER雙功能電催化劑對(duì)于ZABs的進(jìn)一步發(fā)展具有重要意義。
近日，鄭州大學(xué)盧思宇和山東理工大學(xué)尹廣超等采用Fe單原子種子介導(dǎo)法合成了Fe?N?C/Fe3C復(fù)合材料，該復(fù)合材料具有可控的Fe?N?C/Fe3C比，可作為ZAB的高效雙功能ORR/OER電催化劑。具體而言，F(xiàn)e?N4?C單原子種子首先被錨定到摻N的碳骨架中，直到Fe負(fù)載飽和(7.7 wt.%)；在合成Fe?N?C/Fe3C復(fù)合材料的熱解過(guò)程中，額外的鐵原子加入導(dǎo)致Fe?N4?C種子周?chē)纬蒄e3C顆粒。通過(guò)這種方法，只需簡(jiǎn)單地改變合成過(guò)程中鐵的用量，就可以調(diào)整和優(yōu)化復(fù)合材料中Fe3C與Fe?N4?C的比例。一系列結(jié)構(gòu)表征結(jié)果顯示，對(duì)于組成優(yōu)化的電催化劑(Fe?N?C/Fe3C-op)，原子分散的Fe與4個(gè)N原子配位，形成分布在Fe3C顆粒周?chē)木植繗印?/span>由于親密和豐富的Fe?N?C/Fe3C界面，F(xiàn)e?N?C/Fe3C-op表現(xiàn)出優(yōu)異的雙功能ORR/OER活性，以及快速的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，特別是ORR和OER反應(yīng)之間的電壓差為0.668 V，優(yōu)于報(bào)道的堿性介質(zhì)中大多數(shù)雙功能ORR/OER電催化劑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算表明，F(xiàn)e?N4?C和Fe3C能協(xié)同激活O2的吸附，促進(jìn)OH*中間體的解吸，從而降低ORR和OER過(guò)程中限速步驟的反應(yīng)能壘。最后，當(dāng)Fe?N?C/Fe3C-op作為可充電鋅-空氣電池的空氣陰極時(shí)，獲得了1013.9 mWh gZn?1的功率密度和137.4 mW cm?2的峰值功率密度，并且顯示出優(yōu)異的長(zhǎng)期耐久性。綜上，該項(xiàng)工作提出的種子介導(dǎo)策略不僅有利于推動(dòng)雙功能ORR/OER電催化和高性能ZABs的發(fā)展，而且對(duì)高活性、低成本非貴金屬電催化劑的開(kāi)發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。A Fe Single Atom Seed-Mediated Strategy Toward Fe3C/Fe?N?C Catalysts with Outstanding Bifunctional ORR/OER Activities. Advanced Science, 2023. DOI: 10.1002/advs.202301656
