徐保民教授、王行柱教授，ESM：不对称Fe-N6和Cu-N1S2配位调节原子Fe/Cu双位点促进高性能锌-空气电池双功能氧电催化

第一作者：彭晶

通讯作者：王行柱*，徐保民*

单位：南方科技大学

近年来，各种绿色高效的储能设备已被开发出来，以响应全球节能减排计划并加速碳中和。其中，锌空气电池（ZABs）因其能量密度高（约1350 Wh kg^-1）、制造成本低、续航里程长（接近锂电池的200%）、安全性能好、环保等诸多特点，被认为是一种实用高效的选择。可充电ZAB严重依赖于强大的双功能催化剂来双向加速缓慢的析氧反应（OER）和氧还原反应（ORR）动力学。迄今为止，贵金属基材料（如Pt/C、Pd/C、IrO₂和RuO₂）已被广泛用作氧电催化剂。然而，由于单向性的缺陷，贵金属催化剂仍不能满足实际开发和大规模应用的要求。合理设计和合成具有双原子活性位点和二元杂原子N1/N2配位环境的双功能氧催化剂取代贵金属基催化剂是未来的重要研究方向。本文首次报道了由具有不对称杂原子Fe-N₆/Cu-N₁S₂桥接位点的多孔碳纳米片修饰的Fe/Cu双金属单原子（FeCu-DSAs/NSC）催化剂，将其应用于锌空气电池具有良好的放电功率密度，开路电压和循环稳定性。

近日，来自南方科技大学的王行柱教授与徐保民教授合作，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Regulating atomic Fe/Cu dual sites with unsymmetrical Fe-N₆ and Cu-N₁S₂ coordination for promoting bifunctional oxygen electrocatalysis in advanced zinc-air batteries”的观点文章。该观点文章提供了一种非对称双单原子催化剂的制备方法，并在锌空气电池中获得良好的性能。

新型双功能催化剂的制备是利用具有-OH和-NH2基团的羧甲基壳聚糖（CTS）链为原料，该链可以在碱性溶液环境中与不同的金属离子（如Fe²⁺和Cu²⁺）配位。三聚氰胺辅助制备的Fe²⁺/Cu²⁺-CTS-SiO₂前体的进一步热解导致形成高度分散的Fe/Cu单原子和共嵌入碳框架中的含Fe/Cu纳米颗粒。再分别使用氢氟酸（HF）溶液蚀刻SiO₂硬模板和浓H₂SO₄溶液去除含Fe/Cu的纳米颗粒。除此之外，浓H₂SO₄溶液作为硫源，在高温下得到含硫官能团（-SO₃H和-SH），为构建非对称Cu-N₁S₂位点提供条件。

由于高效的Fe-N₆/Cu-N₁S₂活性位点和二维多孔导电碳骨架的协同作用，合成的FeCu-DSAs/NSC催化剂表现出优异的双功能催化性能（E1/2=0.93 V，ΔE=0.647 V），优于对应物（Pt/C+IrO₂和Cu-ISAs/NSCs），并且优于迄今为止报道的大多数双功能过渡金属原子基催化剂。此外，当用作可再充电锌空气电池中的正极催化剂时，FeCu-DSAs/NSC显示出比商业Pt/C+IrO₂基锌空气电池更优异的性能（高峰值功率密度230.66 mW cm^-2、高开路电压1.464 V和10 mA cm^-2电流密度下长达360 h的长循环稳定性）。

根据理论模拟，计算出FeCu-DSAs/NSC中Fe和Cu原子的平均d带中心为-2.81eV，相对于Cu-ISAs/NSC（-4.73 eV）中Cu 3d态明显的正移，表明Cu活性位点与吸附物之间的结合强度比FeCu-DSAs/NSC中活性位点的结合强度更弱，相互作用不稳定，导致氧催化性能较差。此外，FeCu-DSAs/NSC在速率决定步骤中的吉布斯自由能变化（1.12 eV）明显低于Cu-ISAs/NSC（1.46 V），表明FeCu-DSAs/NSC催化剂的反应能垒较小，氧催化活性更高，与实验结果一致。

Regulating atomic Fe/Cu dual sites with unsymmetrical Fe-N₆ and Cu-N₁S₂ coordination for promoting bifunctional oxygen electrocatalysis in advanced zinc-air batteries.

王行柱教授简介：王行柱教授于2009年获得香港浸会大学博士学位，随后在剑桥大学进行博士后研究，于2011年至2017年先后加入南洋理工大学和新加坡国立大学，担任研究员和高级研究员，目前在南方科技大学担任教授，并入选为深圳市孔雀计划人才和国家高层次人才。王行柱教授主要研究方向为有机合成、有机半导体和光电子器件，迄今已在Science, Nat. Mater., J. Am. Chem. Joc., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., ACS Energy Letters., Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Nano Energy, Chem. Sci., 等国际权威杂志上发表SCI论文100余篇，授权专利15项。王行柱教授作为项目主持人获批国家重点研发计划项目1项、国家自然科学基金项目3项、湖南省自然科学基金3项，深圳市科创委基础研究重点和面上项目等4项；科研成果曾获得国家自然科学二等奖，教育部优秀成果自然科学一等奖和深圳市自然科学二等奖等奖项。

徐保民教授简介：讲席教授、深圳市引进海外高层次人才“孔雀计划”A类人才。1986 年在清华大学获得学士学位，1991年在中国科学院上海硅酸盐研究所获得博士学位。1994年到1996年在美国宾州州立大学材料研究所做博士后，之后任助理研究教授，2000年11月至2014年3月在位于美国硅谷的施乐公司PARC研究中心(Palo Alto Research Center)担任高级科学家和项目主管，2014年3月被南方科技大学聘为全职讲席教授。已发表科研论文 100余篇，获得授权美国发明专利32项，其中23项专利为第一或唯一发明人，3项专利获施乐公司最佳专利奖。长期致力于新型清洁能源材料和器件，功能材料及微机电系统用材料和器件，新型材料制备技术等方面的研究。以通讯作者身份在Science, Joule, EES, Adv. Energy Mater., Adv. Mater., Nano Energy, Small, Appl. Catal. B Environ. 等学术刊物上发表多篇研究论文。至今已发表论文100余篇，获得授权美国发明专利32项，其中23项专利为第一或唯一发明人，3项专利获施乐公司最佳专利奖。