双金属异质结构纳米颗粒锚定分级多孔碳球催化剂：高性能液态/柔性锌空气电池的新突破

本研究针对锌空气电池(ZABs)中氧还原反应(ORR)/析氧反应(OER)动力学缓慢的问题，开发了氮掺杂碳封装Fe3C/MnO异质结构催化剂(FeMn-NC)。该材料通过界面电荷重分布调控活性位点，在碱性电解液中表现出0.84 V的半波电位(E1/2)和1.62 V@10 mA cm?2的OER性能，组装的液态ZAB实现792.7 mAh g?1的比容量和800小时循环稳定性，为柔性电子设备供能提供新方案。

　　

随着可穿戴电子设备的普及，开发高效柔性能源存储系统成为研究热点。锌空气电池(ZABs)因其1086 Wh kg^?1的理论能量密度和安全性备受关注，但阴极氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)的缓慢动力学严重制约其性能。传统铂(Pt)、钌(Ru)基催化剂虽有效但成本高昂，因此设计低成本双功能催化剂成为突破瓶颈的关键。

云南大学等单位的研究人员通过自牺牲模板法，制备了氮掺杂碳封装Fe₃C/MnO异质结构纳米催化剂(FeMn-NC)。该材料具有分级多孔结构和丰富的吡啶氮活性位点，理论计算证实Fe₃C/MnO界面诱导电荷重分布，显著降低ORR/OER中间体吸附能垒。在碱性电解液中，FeMn-NC展现出0.84 V的半波电位和1.62 V@10 mA cm^?2的OER过电位，ΔE值仅0.78 V。组装的液态ZAB实现792.7 mAh g^?1的比容量和800小时@10 mA cm^?2的循环稳定性；柔性固态ZAB在1 mA cm^?2下保持1.50 V开路电压和676.1 mAh g^?1比容量。该成果发表于《Journal of Energy Storage》，为设计高效双功能催化剂提供了新思路。

关键技术包括：1) 自牺牲模板法制备分级多孔碳载体；2) 同步热解构建Fe₃C/MnO异质结构；3) 密度泛函理论(DFT)计算界面电荷转移机制；4) 聚丙烯酰胺-海藻酸钠-SiO₂(PAM-SA-SiO₂)凝胶电解质制备。

【材料表征】SEM/TEM显示FeMn-NC保留2-3 μm分级微球结构，XRD证实Fe₃C(JCPDS No.35-0772)和MnO(JCPDS No.07-0230)共存。HAADF-STEM观察到0.34 nm晶格条纹对应MnO(111)晶面，EDX mapping证实Fe/Mn均匀分布。

【电化学性能】在0.1 M KOH中，FeMn-NC的ORR极限电流密度达5.8 mA cm^?2，优于Pt/C(5.1 mA cm^?2)；OER在10 mA cm^?2下的过电位比RuO₂低60 mV。锌空气电池测试显示，FeMn-NC组装的液态ZAB功率密度达158 mW cm^?2，优于Pt/C+RuO₂组(112 mW cm^?2)。

【机理分析】DFT计算表明Fe₃C向MnO转移0.18 e^?，使Fe-N₄位点d带中心下移1.2 eV，降低*OOH中间体吸附能(0.28 eV)。原位拉曼证实FeMn-NC在1.2 V出现Fe^III-OOH特征峰，说明快速OER动力学。

该研究通过界面工程策略成功构建高效双功能催化剂，解决了传统Fe基材料活性不足的难题。Fe₃C/MnO异质结构协同氮掺杂碳基体的设计，为开发非贵金属电催化剂提供了普适性方法，推动柔性锌空气电池在可穿戴设备中的实际应用。