可充電鋅空氣電池（RZAB）因其安全可靠、低成本、理論能量密度高和環(huán)境友好的特點(diǎn)，被認(rèn)為是后鋰離子時(shí)代實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的能量轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存系統(tǒng)之一。然而，鋅空氣電池陰極緩慢的四電子氧化還原反應(yīng)限制了它的發(fā)展，其中，氧中間體不理想的吸附脫附效果是限制陰極反應(yīng)的一大主要因素。 近日，中山大學(xué)楊國(guó)偉、曾志平團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種具有長(zhǎng)程電子耦合作用異質(zhì)三原子催化劑，超越了雙原子催化劑的主要和次要活性位點(diǎn)，通過(guò)原位X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜（XAFS）和拉曼光譜分析，闡明FCN-TM/NC的鐵（Fe）為主要活性位點(diǎn)，利用鄰近的鈷（Co）和鎳（Ni）的長(zhǎng)程電子耦合效應(yīng)，鐵（Fe）位點(diǎn)為ORR和OER的主要活性中心。鎳（Ni）位點(diǎn)為協(xié)同催化中心，而鈷（Co）位點(diǎn)在ORR過(guò)程中調(diào)節(jié)電子分布。在OER過(guò)程中，Co位點(diǎn)為協(xié)同催化中心，而Ni則充當(dāng)電子調(diào)節(jié)劑。以該催化劑組裝的鋅空氣電池可在?60℃下運(yùn)行5500小時(shí)。
異質(zhì)FeCoNi三原子催化劑（FCN-TM/NC）在氧還原反應(yīng)（ORR）中表現(xiàn)出優(yōu)異的雙功能催化活性和穩(wěn)定性。獨(dú)特的電子耦合效應(yīng)顯示出異質(zhì)三金屬催化劑超越單元和雙元催化劑的性能優(yōu)勢(shì)。 通過(guò)原位X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜（XAFS）和拉曼光譜分析，結(jié)合DFT理論計(jì)算，驗(yàn)證了該催化劑可以顯著降低氧化還原反應(yīng)的勢(shì)壘，同時(shí)揭示了主要活性位點(diǎn)（Fe）與輔助活性位點(diǎn)（Co、Ni）之間的電子相互作用。 使用FCN-TM/NC作為陰極的液態(tài)鋅空氣電池表現(xiàn)出380 mW cm?2的高峰值功率密度以及超強(qiáng)的循環(huán)性能（在10 mA cm?2下運(yùn)行1120小時(shí)），而柔性固態(tài)鋅空氣電池則表現(xiàn)出優(yōu)異的極端低溫環(huán)境下的可充電性能，在?60°C、1 mA cm?2下可以運(yùn)行5500小時(shí)和可從?60°C到60°C寬溫度適應(yīng)性。 深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究表明，這種優(yōu)異的催化活性歸因于不對(duì)稱的FeN4構(gòu)型、長(zhǎng)程異質(zhì)金屬電子耦合、局部微環(huán)境的調(diào)控、優(yōu)化的d軌道能級(jí)以及雙功能氧電催化的較低能壘。這種金屬有機(jī)框架（MOF）介導(dǎo)的三原子催化劑的合理設(shè)計(jì)，結(jié)合機(jī)理分析，推動(dòng)了異質(zhì)三原子催化劑在多種電催化過(guò)程中的發(fā)展，為可持續(xù)能源轉(zhuǎn)換提供了新思路。 論文信息 Asymmetrical Triatomic Sites with Long-Range Electron Coupling for Ultra-Durable and Extreme-Low-Temperature Zinc–Air Batteries Wencai Liu, Zhanhao Liang, Shaojie Jing, Junjie Zhong, Ning Liu, Bin Liao, Zichen Song, Yihui Huang, Bo Yan, Liyong Gan, Xi Xie, Yichao Zou, Xuchun Gui, Hong Bin Yang, Dingshan Yu, Zhiping Zeng, Guowei Yang Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202503493
