福建物构所，麻省理工AEM：促进传质的多孔Fe/Co双位点催化阴极用于超高功率密度铝–空气燃料电池

第一作者：陈凯，梁义奇

通讯作者：张昊*，胡翔*，温珍海*

单位：中国科学院福建物质结构研究所，中国科学院大学，麻省理工学院

传统能源技术依赖于化石燃料，这带来了许多环境挑战。因此，推进新能源存储和转换系统至关重要。金属-空气电池因其高理论能量密度、安全特性和环保属性，在电化学能源存储领域已成为极具竞争力的选择。与其他金属空气电池相比，铝-空气（Al-air）电池以铝为阳极，具有能量密度高（8100 Wh/kg）、成本效益好和存储容量大等明显优势。此外，铝的回收工艺相对成熟，这有利于Al-air燃料电池的回收。然而，铝阳极的自腐蚀问题仍然是一个持续存在的挑战，导致电池的工作电压和电流不尽如人意。最近的研究表明，一个颇有前景的解决方案在于设计一种混合酸-碱金属空气燃料电池架构。这种创新结构旨在实现工作电压、功率密度和能量密度的显著提升。此外，酸性阴极还能防止碱性阴极的碳酸盐化。该架构的核心在于整合酸-碱解耦组件，有效地将碱性铝氧化反应与酸性氧还原反应结合起来。通过利用电化学中和能，这种方法理论上能将电压提升0.828 V（ΔpH = 14），从而克服Al-air燃料电池的性能限制。值得注意的是，在这种新型金属空气燃料电池中，酸性ORR催化剂发挥着至关重要的作用，因为它解决了阴极ORR过程动力学缓慢的问题，最终提高了电池的能量转换效率。

近日，来自福建物构所温珍海研究员，胡翔副研究员与麻省理工学院的张昊副研究员合作，在国际知名期刊Adv. Energy Mater：上发表题为“Mass Transportation Facilitated Porous Fe/Co Dual-Sites Catalytic Cathodes for Ultrahigh-Power-Density Al-Air Fuel Cells”的文章。该研究开发了一种结合显式溶剂模型和机器学习势的分子动力学模拟的新型高通量筛选方法，成功确定了Fe-Co双原子位点为最优的氧还原反应电催化剂。在三维互联有序大孔碳（FeCo-3DMNC）上成功合成了这种双原子位点，表现出卓越的ORR性能和长期耐久性。此外，利用FeCo-3DMNC的创新混合酸/碱铝-空气燃料电池展示了前所未有的功率密度（827 mW cm^-2）和高开路电压（2.72 V），远超传统铝-空气燃料电池，进一步验证了其实用性。

采用了显式溶剂化模型与机器学习势相结合的方法，对Mn、Co、Fe、Ni、Cu、Zn、Pd、Ag、Ir、Pt、Au、Mo和W这13中元素衍生的78种不同双原子组合进行分子动力学模拟，计算其振动能跨度。结果表明，在酸性条件下经典的FeCo双原子配对展现出了最窄的能量跨度，说明在78个候选物中，在酸性介质中对催化氧还原反应的稳定性最好。

成功地在三维互联有序大孔碳上担载了Fe/Co双原子位点（FeCo-3DMNC）。得益于独特的孔道结构和双原子协同作用，该材料在ORR电催化方面表现出色。在酸性和碱性电解质中，其半波电位分别达到0.806 V和0.905 V，并且在超过10,000次的循环中展现出卓越的长期耐久性。

开发了创新的液流混合酸/碱铝-空气燃料电池（hA/A-AAFCs）。这种解耦设计通过高效地将化学中和能转化为电能，全面提升了开路电压、功率密度和能量密度等器件性能，使配备FeCo-3DMNC的电池展现出破纪录的功率密度（827 mW cm^-2）和高开路电压（2.72 V），远超传统铝-空气燃料电池。

胡翔，中国科学院福建物质结构研究所副研究员，硕士生导师。主要从事电化学能源材料与器件相关领域的研究，聚焦于低成本储能电池技术中电极材料的表界面调控、电化学反应机理及性能优化等基础研究。获福建省级高层次人才（C类）、中国科学院海西研究院“春苗”青年人才称号。先后主持了国家自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金面上项目一等资助、中国博士后科学基金特别资助（站前）项目、中国科学院海西研究院“前瞻跨越”计划“杰出青年”项目、中国科学院特别研究助理资助等科研项目。迄今为止共发表SCI论文50余篇，其中以第一/通讯作者身份在包括Energy Environ. Sci.，J. Am. Chem. Soc.，Adv. Energy Mater.，Adv. Funct. Mater.，ACS Nano等多个国际知名期刊上发表论文20余篇，论文总引用3500余次，H因子=35，入选ESI高被引论文4篇，获授权中国发明专利5项。

温珍海，国家杰出青年，中国科学院福建物质结构研究所二级研究员、课题组长，博士生导师。曾获国家级引才计划青年项目、德国洪堡学者、中科院百人计划、福建省创新人才百人计划等荣誉称号。现担任福建省氢能关键材料与技术重点实验室主任、中国科学院海西研究院材料工程中心副主任、InfoMat青年编委、Transactions of Tianjin University编委。先后承担了包括国家杰出青年科学基金、国家重点研发计划项目、国家自然科学基金面上项目、中国科学院科研装备研制项目、中央引导地方科技发展专项、中国科学院对外合作项目及企业合作等多项科研项目。主要从事电化学能源关键电极材料及技术领域的研究，以通讯作者和第一作者在Chem. Soc. Rev.，Adv. Mater.，Angew. Chem. In. Ed.，Energy Environ. Sci.,等期刊发表学术论文300余篇论文，被引用次数超过30,000次，H因子=96，授权美国发明专利1项和中国发明专利20余项，学术专著4章。2018-2023年度连续6年入选汤森路透全球高被引科学家。