我国学者在空气电池催化材料创制方面取得进展

　　

图 介孔单原子催化材料用于中性锌-空气电池的示意图

　　在国家自然科学基金项目（批准号：22088101）等资助下，复旦大学化学系赵东元-李伟课题组联合材料科学系王飞课题组在中性锌-空气电池单原子催化材料创制方面取得进展，他们揭示了两电子中性锌-空气电池催化材料的设计原则，构筑了新型可持续、低成本、高性能的电化学储能器件。研究成果以“可逆锌-空气电池的单原子催化两电子氧化还原化学（Two-electron redox chemistry via single-atom catalyst for reversible zinc–air batteries）”为题，于2024年2月26日在《自然?可持续性》（Nature Sustainability）上发表。论文链接：https://doi.org/10.1038/s41893-024-01300-2。

　　锌-空气电池具有能量密度高、成本低、安全性高的优点，被广泛认为是下一代储能系统的有力备选。与传统碱性锌-空气电池相比，新型两电子中性锌-空气电池具有锌负极利用率高、正极可逆性好、副反应少等优势。然而，中性锌-空气电池工况环境复杂，气-液-固三相反应在阴极上同时发生，不溶的绝缘固态放电产物（过氧化锌）会堵塞物质输送隧道并覆盖活性位点，并且在充放电过程中不断积累的产物通常会产生高的过电位，进一步造成器件性能的恶化。因此，亟需开发高效催化材料，从而助力高性能中性锌-空气电池的开发。

　　上述研究团队发展了一种连续合成的策略，制备了一种二维介孔的单原子催化材料。此材料集成了非对称的FeN₂S₂催化位点，可以高选择性地催化两电子氧还原反应。更重要的是，石墨化的多孔框架为氧吸附、电解质浸没和电子转移提供了理想的纳米反应器，并将固态放电产物（过氧化锌）的生长限制在纳米尺度（~6 nm），从而实现过氧化锌的可逆生成与溶解，提升循环稳定性。因此，两电子中性锌-空气电池的放电电位显著增强（~1.20 V），在0.2 mA cm^?2下的寿命为400 h。研究团队进一步结合X射线吸收光谱、电子显微学和理论模拟，解析了活性中心及催化动态过程，阐明了催化材料各组分的协同增效原理，揭示了催化反应机制，建立了构-效关系，为高性能催化材料的创制提供了参考。