郑州大学张佳楠教授团队，AEM：自旋极化工程提高N位点氧还原催化活性及应用于宽温条件准固态锌空电池

第一作者：魏一帆

通讯作者：张佳楠*

单位：郑州大学

锌空电池（ZABs）具有高达1086 Wh kg^-1的理论能量密度而被认为是理想的储能设备。但是，准固态锌空电池（QZABs）在实际应用中面临着一些挑战，例如在高温环境中会导致水分的损失与蒸发，在低温环境下往往导致水分凝结，并且反应活性下降。因此开发一种在宽温环境下仍可以实现长时间循环以及功率密度较小损失的阴极催化剂对实现准固态锌空电池的实际应用潜力是十分有意义的。

近日，来自郑州大学的张佳楠，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Boosting the Catalytic Activity of Nitrogen Sites by Spin Polarization Engineering for Oxygen Reduction and Wide-Temperature Ranged Quasi-Solid Zn–Air Batteries”的文章。研究者通过一步热解法构筑碳包覆FeCo合金的核壳催化剂。其中通过控制FeCo比例有效调控电荷转移程度，使表面碳层的N位点具有不同的极化程度，精准调控非金属活性位点磁矩的同时有效提升了锌空电池阴极氧还原反应的电化学性能，除此之外，在极端条件环境下的准固态锌空电池的应用中，也展示出了优越的功率密度以及循环稳定性。

为分析FeCo@NPC的催化活性来源，使用DFT计算了不同催化剂的功函差异以及电荷密度差分图，以及表面吡啶N位点处的磁矩和吉布斯自由能。结果表明，电荷转移程度和磁矩的大小与Fe的含量呈正相关，具有较为适中的磁矩的催化剂所需要克服的反应能垒最低。

在对FeCo@NPC进行了详细的表征测试后，证明了FeCo@NPC核壳结构的存在以及催化活性来源机制。

将FeCo@NPC在RDE体系下进行ORR性能评价，证明具有适中极化程度的Fe₅Co₅@NPC具有最佳的催化活性，此外将催化剂应用于液态、准固态锌空电池的测试中同样表现出了在极端环境下极佳的功率密度和循环时长。

Boosting the Catalytic Activity of Nitrogen Sites by Spin Polarization Engineering for Oxygen Reduction and Wide-Temperature Ranged Quasi-Solid Zn–Air Batteries

郑州大学张佳楠教授为该项研究的通讯作者。张佳楠，郑州大学材料科学与工程学院教授，博导，教育部青年长江学者，英国皇家化学会会士，中国化学会女委会委员，中国化学会青委会委员。近年来，主要从事碳基复合材料在质子交换膜燃料电池（PEMFCs）和金属空气电池等能源转换与能源存储装置中的电催化材料的设计、构筑、应用以及相关电催化过程机理研究，并取得了重要进展。标志性成果：开发无模板纳米空间限域和热力学控制等方法，实现碳限域多活性中心能源催化材料，解决电极材料在电化学过程中活性衰减的问题；揭示非贵金属-氮-碳催化剂中纳米团簇和单原子协同催化作用机制；利用理论计算结合实验方法揭示过渡金属活性中心内建微磁场环境调控与催化性能的关系，获得多种稳定高效的新能源材料。迄今为止，在Nat. Commun.、Angew Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.等期刊上发表论文70余篇，多篇文章被评为ESI高被引文章；2020年获省科技成果一等奖（排名第1），2021年获河南省自然科学奖二等奖（排名第1）；担任多个期刊编委和客座编辑，包括高等学校化学学报（Chem. J. Chinese. U.）、InfoMat、中国化学快报、电化学；同时担任中国化学会青委员会委员，中国化学会女委员会委员。入选2022年全球前2%顶尖科学家。

郑州大学在读硕士研究生魏一帆为该工作第一作者。该设计理念和催化剂制备技术对开发具有实际应用价值的锌空电池阴极材料具有重要作用，所制备的FeCo@NPC阴极材料在各项电化学测试中均表现处更优的性能，有较广阔的开发空间。

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