文 章 信 息
用于高性能锌空气电池的铁基金属有机骨架衍生电催化剂的先进设计策略
第一作者：郭亚飞
通讯作者：伊廷锋*
单位：东北大学
研 究 背 景
锌-空气电池(ZABs)以其环境友好、成本低、能量密度高等特点被认为是最有前途的能源系统之一。然而，ZABs空气电极的氧反应动力学缓慢，导致其能量效率和循环性能较差。如何提高ZABs的整体性能和循环稳定性是其发展的关键。迄今为止，贵金属及其合金被认为是最理想的氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)的催化剂。然而，贵金属的高成本和低储量限制了它们的应用。过渡金属电催化剂因催化活性高、结构稳定、储量丰富、价格低廉等优点而受到了广泛关注。其中，铁基催化剂因其低成本和易于提升的性能被认为是理想候选之一。
金属有机框架化合物(MOFs)具有结构多样化、比表面积大、孔隙率高等优点。特别是作为过渡金属电催化剂的前驱体，MOFs中有机配体与金属节点桥接，可以为电催化剂提供所需的金属、碳和杂原子。然而，MOFs在后续的热解过程中可能会发生结构坍塌、原子聚集和活性位点降低等问题，从而限制了其商业化应用。因此，纳米级的设计对于提高催化性能极其重要。例如，从形貌、组成和结构等维度出发进行的一系列调控策略。此外，电催化剂催化机理、特性、制约发展的因素和研究进展都需要一个全面的回答。
文 章 简 介
近日，来自东北大学的伊廷锋教授在国际知名期刊Energy & Environmental Science上发表题为“Advanced design strategies for Fe-based metal-organic framework-derived electrocatalysts toward high-performance Zn-air batteries”的综述。该文章系统地总结了提高铁基MOFs衍生的非贵金属电催化剂催化活性的策略，详细讨论其活性位点、催化机理及相应的特性，并展望了此类电催化剂在ZABs中的可持续性研究、面临的挑战和发展前景。这项工作为铁基MOFs衍生的氧电催化剂的靶向优化提供了参考，并为高性能ZABs的设计、构建和跨越式发展提供了指导。
图 铁基MOF衍生电催化剂的改进策略及应用于ZABs的优势
本 文 要 点
要点一：铁基MOF衍生电催化剂的形貌控制策略
当材料的某些尺寸被限制在纳米尺度内时，量子尺寸效应将导致材料的电子结构和表面特性发生重大变化。催化剂表面结构和形态的多样性往往导致活性位点和催化产物的差异，从而不可避免地影响电催化的步骤和结果。电催化剂的形貌与其表面积、传质能力和对反应物分子的吸附行为密切相关。特定的形貌设计可以促进内在反应、增加活性位点的暴露度和优化反应物分子的吸附行为。
要点二：铁基MOF衍生电催化剂的组成调控
通过构建多金属纳米材料、金属化合物、单原子电催化剂（双单原子调控策略、杂原子掺杂、缺陷工程、改变配位结构等方法）,可以获得具有良好活性和选择性的氧电催化剂。
图1：铁基MOF衍生电催化剂的制备与分类
要点三：挑战
尽管精心设计的铁基MOF衍生电催化剂具有广阔的发展前景，但作者认为，构建具有更高活性和稳定性的空气电极仍有许多问题需要解决：
1. 铁基MOF衍生电催化剂具有最理想的ORR性能，但OER性能有限。双功能电催化剂的设计将显著提高ZABs的综合性能。特别是具有精细配位结构的单原子催化剂(SACs)在双功能催化剂的构建中表现突出。然而，高温碳化过程往往导致金属原子聚集成纳米颗粒，且SACs在使用过程中可能由于碳腐蚀和金属解离而失去活性。因此，必要探索单原子催化剂结构演变的监测技术。
2. MOFs导电性低和稳定性差等问题还没有得到真正的解决。同时，繁琐的制备步骤和高温热解过程增加了能耗和成本。因此，有必要开发一种更适合大规模生产并兼具成本和性能优势的合成方法。此外，还需从多个方面综合考虑MOF前驱体类型、热解时间、温度、气氛等必要条件。
3. 电催化过程包含复杂的反应步骤。然而，由于电催化剂在非原位条件下的不稳定性和实际操作的复杂性，揭示催化机理很大程度上依赖于原位/操作表征技术。多种先进技术的结合有助于准确捕捉电催化剂的结构、价态变化和反应机理，并准确识别活性位点。预测模型的建立也有助于预测真实的活性中心。
4. 铁基电催化剂在原材料的成本方面具有显著的优势。然而，纳米催化剂在生产过程中高昂的制备、纯化和后续处理的成本制约了其在ZABs中的实际应用。提高电催化剂的耐久性是从根本上降低成本的方法。积极探索废弃电极的回收利用也是科研人员的共同责任。
5. ZABs在工作过程中涉及电极和电解质中大量电子和离子的转移。除了关注空气电极的催化活性外，还应关注ZABs整体运行的协同稳定性。此外，ZABs的性能易受环境温度和湿度变化的影响。合理设计电解质膜、使用流动电解质或构建固态ZABs具有重要意义。
要点四：前瞻
尽管电催化剂在ZABs中的实际应用仍存有一定的局限性，但作者期待ZABs将会从以下几个方面获得突破。
1. 随着超级计算机和高性能计算的发展，计算机仿真在材料科学与工程中的作用日益突出。利用密度泛函理论(DFT)计算、设计和筛选电催化剂可以进一步降低研发成本。
2. 目前的理论研究主要集中在热力学方面，而忽视了动力学。因此，有必要将热力学和动力学并置，以深入探究电池的基础领域。
3. 未来，ZABs的设计和装配可能是跨学科的。机器学习作为人工智能的一个分支在大数据时代将脱颖而出。利用大量数据挖掘资料将明显加快ZABs的研发进程。显然，数据库的建立、更新和维护是一项庞大而复杂的任务，需要不断地探索和组织。
4. 3D打印、丝网印刷等新型制造技术的迭代和更新，也将不断优化各种器件的制备工艺。通过整合电化学、材料科学与工程、纳米结构工程等学科知识，会逐步突破ZABs的发展瓶颈。
只有不断优化电池的结构和性能，才能设计出成本更低、能量密度更高、寿命更长、安全性更好的ZABs，并进一步推向商业化应用。
图2 铁基MOF衍生电催化剂的局限性及发展方向
文 章 链 接
“Advanced design strategies for Fe-based metal-organic framework-derived electrocatalysts toward high-performance Zn-air batteries”
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ee/d3ee04410f。
通 讯 作 者 简 介
伊廷锋教授简介：
东北大学教授(三级)、博士生导师。东北大学研究生院秦皇岛分院院长兼秦皇岛分校学科建设处处长。主要研究方向为新能源材料及其第一性原理计算。先后入选安徽省技术领军人才、江苏省双创人才、河北省333人才工程第二层次人选、河北省普通本科院校教学名师、2019年度科睿唯安(Clarivate Analytics) 材料科学(Materials Science)领域和交叉领域(Cross-Field)“Top 1%审稿人” 、全球Top 2% Scientists榜单、全球顶尖前10万科学家排名、获第十四届河北省青年科技奖。担任《物理化学学报》《有色金属工程》编委，《Chinese Chemical Letters》《Rare Metals》等期刊青年编委。主持国家自然科学基金项目5项，近年来，在Energy & Environmental Science、Advanced Functional Material(3篇)、Applied Catalysis B: Environmental、Coordination Chemistry Reviews (6篇)、Nano Energy (3篇)、Science Bulletin (2篇)、Energy Storage Materials(2篇)、Nano Today、Journal of Energy Chemistry(7篇)、Chemical Engineering Journal(5篇)等国际期刊上发表第一/通讯作者SCI收录论文200余篇，被引用10000余次，H因子52，25篇论文入选ESI高引论文，7篇论文入选ESI热点论文，授权排名第一发明专利14项。作为主编编著出版《锂离子电池电极材料》《钠离子电池技术与应用》著作2部，其中前者入选“十三五”国家重点出版物出版规划项目，获2020年度化学工业出版社优秀图书奖。
第 一 作 者 简 介
郭亚飞：东北大学硕士生研究生
郭亚飞目前就读于东北大学/秦皇岛分校材料工程专业，以第一作者身份先后在Coordination Chemistry Reviews (中科院一区，影响因子20.6)、Energy & Environmental Science (中科院一区，影响因子32.5)、Ceramics International(中科院二区，影响因子5.2)等期刊上发表论文3篇，获得2023年度国家奖学金。主要研究方向为锌空气电池。
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