伍伦贡大学窦世学院士课题组Small综述: Fe基单/双原子催化剂在锌空电池中的研究进展- 大数跨境

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伍伦贡大学窦世学院士课题组Small综述: Fe基单/双原子催化剂在锌空电池中的研究进展

科学材料站

2022-03-04

导读：该综述从催化剂与电池性能的构效关系出发，系统讨论了Fe基单/双原子在不同配位环境下的氧电催化性能以及ZABs性能表现，并对未来的发展方向进行了展望。

关键词

Fe基单/双原子催化剂，锌空电池，构效关系

研究背景

在碳达峰、碳中和的趋势背景下，人们致力于寻找更绿色和可持续的储能技术与装置。自1990年首次商业化以来，锂离子电池(LIBs)是目前应用最广泛的储能技术之一，但由于锂相关资源的成本不断增加以及LIBs自身的安全问题阻碍了其在大规模储能装置中的广泛应用。

鉴于此，一些先进的电池系统，如钠/钾离子电池、金属硫电池、金属空气电池和燃料电池，成为未来大规模储能的候选者。其中，锌空气电池(ZABs)因其理论比能量密度高(LIBs的5倍)、毒性低、锌资源丰度高、安全性高等优点而备受关注。

一般来说，ZABs主要由空气电极、电解液、隔膜和锌金属电极四部分组成。析氧反应(OER)与氧还原反应(ORR)作为ZABs充放电过程中空气电极上的主要反应，通常受限于其缓慢的动力学，导致催化反应所需过电位较高、能量效率不理想、功率密度较低，以及较差的循环稳定性。虽然目前贵金属催化剂可以有效的提高其空气电极的性能，但其昂贵的催化剂成本使ZABs的应用价值和经济效益无法凸显。因此，开发成本较低的高效氧电催化剂是ZABs商业化的重要一步。

图1. 运用于ZABs中的Fe基单/双原子催化剂的各种改性方法和优点。

文章简介

近年来，Fe基单/双原子催化剂因其媲美贵金属催化剂的性能以及低廉的原料成本在ZABs领域内的受到了广泛的关注。据此，伍伦贡大学窦世学院士组在《Small》发表了题为“Recent Progress on Fe-based Single/Dual-atom Catalysts for Zn-air Batteries”的综述文章。该综述从催化剂与电池性能的构效关系出发，系统讨论了Fe基单/双原子在不同配位环境下的氧电催化性能以及ZABs性能表现，并对未来的发展方向进行了展望。

本文要点

全文首先介绍了ZABs在工作过程中主要涉及到的电化学反应，为读者提供了理论基础。其次，归纳了目前应用于ZABs中的Fe基单/双原子催化剂的合成方法与表征手段：目前主流的合成手段为化学湿法和高温处理法的结合；主要的表征手段包括原位校正高角环形暗场扫描透射原子成像技术(AC HAADF-STEM)，同步辐射X射线吸收光谱(XAS)等。

随后，作者以单/双原子的配位环境为主线，分别对Fe基单原子催化剂和Fe基双原子催化剂用于ZABs空气电极的文章进行了综述，并对不同配位环境下催化剂的催化性能和电池性能进行了比较。

作者指出，对单/双原子负载的基底结构形貌进行改变和掺杂金属/非金属原子在基底中（或直接与单原子配位）均可以有效的提高催化剂的活性和ZABs的性能，但目前运用在Fe基单/双原子催化剂空气电极中的改性杂原子元素比较单一，未来还有更大的探索空间。在文章结尾，作者对Fe基单/双原子催化剂空气电极现今面临的挑战与未来发展进行了进一步的展望。

第一作者简介

刘昊轩 伍伦贡大学超导与电子材料研究所博士生

通讯作者简介

吴超伍伦贡大学超导与电子材料研究所研究员

窦世学 院士

文章链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202106635