论文DOI：10.1002/adma.202405763
在该工作中，作者构建了碳纳米纤维负载的Fe-Mn双金属单原子（FeMn-N-C）作为高效长寿命的常温/低温锌-空气电池阴极催化剂。其中，引入高效的单一金属Mn活性位点，以提高Fe-N键的强度，抑制Fe-N-C的脱金属效应。Mn作为电子供体，可诱导更多的局部电子，通过增加电子密度来降低铁的氧化态，从而增强Fe-N键的强度，抑制铁的电化学溶解。FeMn-N-C在碱性电解质中半波电位达到0.92 V，作为锌-空气电池的阴极催化剂，在25°C下的循环稳定性达700小时，在-40°C极冷条件下的长循环稳定性超过210小时。这些发现有助于为各种能源设备开发高效稳定的金属-氮-碳催化剂。
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，受制于其稳定性的不足。因此，提高Fe-N-C催化剂的性能和耐久性仍然是一项挑战。
1. 通过静电纺丝-热解-蚀刻路线（FeMn-N-C）将锰修饰的原子分散的 Fe-N4位点锚定在掺杂 N 的碳纤维中。Mn能够调节 Fe-N-C 的电荷分布，增加 Fe-N4位点的电子密度，降低氧化态。
2. 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，从而加强 Fe-N 键并抑制 Fe-N-C 的脱金属。FeMn-N-C在碱性介质中显示出0.92 V 的半波电位，经历50000次CV循环后，半波电位仅降低19 mV。
3. FeMn-N-C催化剂在25 °C下的循环稳定性为700小时，在-40°C极冷条件下的长循环稳定性超过210小时。
采用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。
图2 材料配位电子结构表征
Mn的供电子效应诱导Fe位点具有更高的电子云密度和更低的氧化态，形成了双金属间的电子相互调节作用，从而加强了Fe-N键，为高活性和稳定性建立了基础。
FeMn-N-C表现出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，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。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。
图5 理论计算与构效关系
作者通过理论计算验证了FeMn-N-C的ORR反应机理，结果表明Fe-Mn双金属改变了催化反应路径并优化了决速步骤自由能。
综上所述，作者通过合理的Mn位点引入充当电子供体，诱导Fe中心发生电子富集，通过增加Fe-N4位点的电子密度来降低Fe的氧化态，从而增强 Fe-N 键并提高金属位点的稳定性。该催化剂实现了兼具常温/低温锌-空气电池的优异稳定性，体现了适应宽温区的应用前景。
彭生杰：南京航空航天大学教授，博士生导师，入选国家青年人才，江苏省特聘教授及江苏省双创人才计划，主持/完成江苏省杰出青年基金、国家自然基金面上项目和江苏省双碳专项等多项项目。2010年于南开大学取得博士学位，导师陈军院士。随后分别加入南洋理工大学Prof. Yan Qingyu和新加坡国立大学Prof. Seeram Ramakrishna（中国工程院外籍院士）课题组进行博士后研究。近十年来，一直从事微纳米结构及新型功能材料的设计、合成及其电化学催化与储能研究，取得了一系列创新性科研成果。在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等高水平期刊上发表论文200余篇，被引用1.5万余次，H-index 65。出版学术专著三部。申请中国发明/授权专利30项。
课题组主页https://www.x-mol.com/groups/peng_shengjie
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