Small：一步法合成高性能原子-团簇双功能催化剂促进锌-空气电池1000h稳定运行

第一作者：王友鹏，Naman Katyal

通讯作者：Graeme Henkelman*，包淑娟*

单位：西南大学，德克萨斯大学奥斯汀分校

长久以来，阻碍锌-空气电池商业应用的主要原因，存在以下几个。1，阳极金属的溶解沉积效率较差，长时间下金属容易溶解在电解液中；2，阴极的ORR/OER活性不够，电池充放电压差较高，能量损耗过大，输出功率较小；3，同一空气电极很难对ORR和OER均具有优异的催化性能，往返效率较低，导致其循环使用寿命低。4，稳定廉价且符合商业需求，容易制备的催化剂较少，导致电池成本过高。

针对阴极的问题，这篇文章选取廉价过渡金属Fe和Ni，利用含氮小分子1，10-菲洛啉在一定温度下液化和二茂金属盐易挥发的特点，将富含多孔结构的活性炭与菲洛啉，二茂铁，二茂镍直接均匀混合后氩气氛围下800℃退火，一步得到均匀碳负载Fe-Ni原子和团簇共存的双功能催化剂FeNiAC-NC,该催化剂具有较高的ORR活性(E1/2 = 0.936 V vs RHE)和较小的ORR/OER电位差(仅为0.594 V)。使用FeNiAC-NC催化剂组装的锌空气电池，稳定运行1000小时依然稳定。

近日，来自西南大学的包淑娟教授与德克萨斯大学奥斯汀分校的Graeme Henkelman教授合作在国际知名期刊Small上发表题为“One-Step Pyrolysis Construction of Bimetallic Atom-Cluster Sites for Boosting Bifunctional Catalytic Activity in Zn-Air Batteries”的文章。该文章开发了一种简易的亚纳米催化剂的制备方法，通过该方法制备的FeNi原子-团簇催化剂展现出超高的ORR和OER双功能催化活性，实验结果和模拟计算证实Fe和Ni之间的协同作用是提高其催化性能的关键。此外，由该催化剂组装的锌-空气电池展现出达1000h的超长稳定性。

HADDF-STEM分析表明所制备的催化剂中单原子与团簇共存，且团簇主要分布在0.8nm左右；计算模拟的结构与真实催化剂的成键空间结构较符合，证实了Fe,Ni金属原子-团簇共存的状态和所建计算模型的合理性。

得益于氮配位下的Fe和Ni的协同作用，在0.1M KOH中，催化剂表现出优异的4电子ORR性能，半波电位达0.936V，且其OER性能与商业化RuO₂相当。ΔE(E_j=10mA-E_1/2)等于0.594V。

要点二：简便的制备方法

利用含氮小分子1，10-菲洛啉在一定温度下会液化和二茂金属盐易挥发的特点，将富含多孔结构的活性炭与菲洛啉，二茂铁，二茂镍直接均匀混合后氩气氛围下800℃退火，冷却后得到。在退火过程中，液态的菲洛啉与气态的二茂金属盐配位，形成与酞菁铁类似结构，同时进入活性炭各个孔道内，进一步碳化后便得到氮配位的双金属原子-团簇催化剂。我们对该方法的可行性进行了深入探讨，并发现此方法可以进一步扩展到FeNi，FeCo，CoNi等其他单金属或多金属的亚纳米催化剂的制备。

最后，通过制备的催化剂，利用防水透气膜组装成软包锌-空气电池，展现出1000h的超长循环稳定性。

One-Step Pyrolysis Construction of Bimetallic Atom-Cluster Sites for Boosting Bifunctional Catalytic Activity in Zn-Air Batteries

包淑娟 教授简介：包淑娟，教授，博士生导师。兰州大学博士，新加坡南洋理工大学博后，美国得州大学奥斯汀分校访问学者。从事纳米材料构筑及电化学界面研究。在 Adv. Mater., Angew. Chem., Adv. Func. Mater., Appl. Catal. B-Environ. 等学术期刊上发表SCI学术论文230余篇，他引1.1万次，H-index 为56，6篇入选百分之一影响力文章。入选美国斯坦福大学发布的2022年全球前2%顶尖科学家榜单（World's Top 2% Scientists 2022）。

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