彭生杰教授团队，Advanced Materials：Mn位点抑制Fe溶出以增强Fe-N-C稳定性用于长寿命锌-空气电池

通讯作者：彭生杰*

单位：南京航空航天大学，江南大学，台湾清华大学

锌-空气电池（ZAB）以其能量密度高、安全性好、成本低和环境友好性而广受关注。其能量转换系统的关键过程是氧还原反应（ORR），ORR 的缓慢氧化还原动力学限制了ZAB的整体能量转换效率。单原子催化剂已成为铂-基催化剂的潜在替代品，然而，受制于稳定性的不足。因此，提高Fe-N-C催化剂的耐久性仍然是一项挑战。

近日，来南京航空航天大学的彭生杰教授，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Inhibiting Demetalation of Fe–N–C via Mn Sites for Efficient Oxygen Reduction Reaction in Zinc-Air Batteries”的观点文章。该观点文章探究了通过Mn单原子位点的引入以增强Fe-N-C的稳定性并抑制Fe位点的溶出效应。

通过静电纺丝结合高温热解和酸刻蚀工艺构建了碳纳米纤维负载的Fe-Mn双金属单原子催化剂。碳纳米纤维有效提升了催化剂在反应过程的结构稳定和耐腐蚀能力。单原子Mn位点能够优化 Fe-N₄的电子结构，诱导更多的脱局域电子以降低 Fe 的氧化态。

FeMn-N-C表现出1.05 V 的起始电位和0.92 V的半波电位，优于单一金属对比样和商业铂碳。极低的双氧水产率证明该催化剂遵循4电子反应路径。FeMn双金属构型使得催化剂的循环稳定性远优于单一Fe单原子催化剂，在连续50000次CV循环后，FeMn-N-C的半波电位仅降低19 mV，证明Mn-Fe相互作用实现了稳定性的增强。

FeMn-N-C催化剂应用于常温液态锌-空气电池表现出151 mW cm⁻²的功率密度和700小时的循环稳定性，由于大部分报道的单原子Fe基催化剂。在低温（-40°C）固态锌-空气电池中，其充放电循环稳定性超过210小时。此外，由FeMn-N-C组装的纤维柔性电池能够稳定充放电达到36小时。

单原子Fe位点在催化过程中通常面临较弱的稳定性，这限制了其进一步的商业化发展。Fe单原子催化剂的失活被发现一定程度上是Fe中心的溶出造成的，这会导致活性位点的流失。这项工作中，提出引入单原子Mn位点实现对Fe位点的电荷结构调控，利用Mn的电子供给效应使Fe中心电子云富集，降低其氧化态，从而抑制其d轨道电子析出。电荷相互作用不仅提高催化剂的活性，同时抑制了Fe中心的电化学溶出。

Inhibiting Demetalation of Fe–N–C via Mn Sites for Efficient Oxygen Reduction Reaction in Zinc-Air Batteries