第一作者：陈阳
通讯作者：刘又年，张翼，张恒
通讯单位：衡阳师范学院，中南大学，苏州科技大学
论文DOI：10.1039/d4gc04687k
为指导双功能碳基过渡金属单原子（C-SACs）电催化剂研发及促进可充锌-空气电池（R-ZAB）从实验室向商业化发展，中南大学刘又年教授/张翼教授、衡阳师范学院青年教师陈阳、苏州科技大学青年教师张恒等，在国际专业期刊Green Chemistry上发表题为“Recent advances in bifunctional carbon-based single-atom electrocatalysts for rechargeable zinc-air batteries”的综述论文。该综述归纳了R-ZAB近期取得的系列突破性进展；从R-ZAB的基本特性和设计原理出发，分析了导致缓慢氧催化动力学的关键瓶颈；通过讨论氧催化反应机理和催化剂动态演变过程，重点总结了高活性、高耐久性C-SACs的原子级设计/调控策略。最后，展望了面向工业规模应用的双功能C-SACs的发展前景和挑战。
发展具有高能量密度和长寿命的电化学储能装置对实现“碳中和”具有重要意义。一些先进的储能和转换系统，如金属离子电池、金属-硫电池、金属-空气电池和燃料电池等，备受关注。其中，水系可充锌-空气电池具有低制造成本（<10 $ kW-1h-1）、高能量密度（1084 Wh kg-1）、宽工作温度窗口、稳定的充放电平台、安全无污染等优点，在未来的储能市场中显示出巨大的应用前景。然而，可充锌-空气电池目前仍存在正极缓慢氧催化动力学的问题。因此，为了提高可充放电锌-空气电池的能量转化效率及输出功率，开发高活性及稳定性双功能（ORR/OER）氧电催化剂迫在眉睫。C-SACs具有近100%的原子利用率、不饱和配位中心、良好导电性和独特子尺寸效应等优势，在表/界面催化过程中表现出无与伦比的催化活性。然而，随着对双功能氧电催化高性能需求的增加，C-SACs正面临着几个紧迫的问题：（1）具有对称电子结构的活性位点可能无法实现中间体的最佳吸附；（2）兼顾活性和稳定性仍然具有挑战性；（3）“火山关系”可能导致ORR和OER性能之间的权衡；（4）碳基底在高电位下的氧化会导致位点浸出。幸运的是，C-SACs的可调配位环境和电子结构为克服其功能局限性和进一步提高催化能力提供了有效途径。
图1 可充锌-空气电池的基本组件及工作原理
图2 用于R-ZAB的双功能C-SACs代表性研究工作
▶阐述氧电催化反应机理和C-SACs的动态演变过程：
本文通过将原位和/或现场表征技术和理论计算结合，深入理解和认识了C-SACs（包括Mn、Fe、Co、Ni和Cu）在ORR和OER催化过程中的动态演变行为，辨析真实活性位点及相应的反应机理，为针对性优化C-SACs电子结构及减少试错提供了新的思路。
▶讨论用于提高C-SACs性能的6种原子级调控策略：
本文通过阐述C-SACs电子结构与性能之间的构效关系，总结了合理设计高性能C-SACs的6种原子级调控策略，包括：①配位微环境调控、②杂原子掺杂、③缺陷工程、④基底曲率效应、⑤双金属协同、⑥客体修饰，有助于发展和改进双功能催化剂和可充锌-空气电池。
▶概述可充锌-空气电池用双功能C-SACs的最新研究进展：
本文还系统地综述了锚定在各种碳基底上双功能C-SACs的最新研究进展，包括传统碳（石墨烯、碳纳米管）、MOF衍生碳、生物质衍生碳和小分子/高分子衍生碳，重点介绍了不同类型的碳前驱体和碳纳米结构对电催化ORR/OER及可充锌-空气电池性能的影响。
图3 本综述的图片摘要：双功能C-SACs的原子级调控策略和分类
本文综述了可充锌-空气电池最新的研究进展，阐明了在原子水平上提高C-SACs氧电催化活性的调控策略，并探讨了C-SACs中金属位点的活性/稳定性与动态结构之间的潜在关系。此外，还总结了不同类型碳基底负载的SACs在可充锌-空气电池中的应用进展，明晰了碳纳米结构对电催化ORR/OER性能的影响。虽然双功能C-SACs的发展已经越来越成熟，但其工业应用仍存在一些挑战：（1）升级的制备方法；（2）增强催化剂稳定性和OER活性；（3）探索反应机理和活性位点结构；（4）从实验室研究到实际应用。
“随着市场上下一代长续航车辆的出现，人们越来越需要能够超越锂离子电池能力的更安全、更具成本效益和高性能的电池系统。”可充电锌空气电池因其成本低、环境友好、理论能量密度高和固有的安全性而变得越来越有吸引力。虽然锌-空气电池储能市场前景美好，但“路漫漫其修远兮”，仍需要广大科技工作者付出艰苦卓绝的努力来攻克商业化的难题。
刘又年：中南大学化学化工学院教授，博士生导师。湖南省微纳材料界面科学重点实验室主任。中国化工学会理事、湖南省化学化工学会副理事长。主持国家重大研发计划课题、国家自然科学基金重点项目、面上项目等10余项。获得省部级自然科学奖、科技进步奖等5项。多年来主要从事多功能纳米材料的制备及其在生物医用、药物控释、环境能源和光电热催化中的应用。在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., PNAS, AIChE J., Adv. Func. Mater., Appl. Catal. B-Environ., ACS Nano等刊物发表学术论文200余篇，他引17000余次，H-Index 77，授权国家发明专利20余项。
张翼：中南大学化学化工学院教授，博士生导师。中南大学化学化工学院自组装功能材料方向学术带头人，新疆大学“天山学者”计划获得者。研究方向包括水凝胶、气凝胶、功能材料的研发及生物医学应用，单原子催化剂的设计及规模化制备。在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等国际学术刊物发表SCI论文60余篇，主持国家自然科学基金重大研究计划项目1项，面上项目4项。目前为中国/美国化学会会员、湖南省可再生能源学会理事，担任中国化学快报国际版编委及Nature Chem., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等20多个国际权威杂志的特约审稿人。
Yang Chen, Gan Wang, Junhua Li, Ting He, Yi Zhang*, Heng Zhang* and You-Nian Liu*, Recent advances in bifunctional carbon-based single-atom electrocatalysts for rechargeable zinc-air batteries.
文章链接: https://doi.org/10.1039/D4GC04687K
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