通过铁酞菁改性的钴镍层状双氢氧化物中的电荷重新分布，实现高效Zn–CoNi/Air混合电池的理性设计

《Energy Storage Materials》：Rational Design of Efficient Zn–CoNi/Air Hybrid Batteries via Charge Redistribution in Iron Phthalocyanine modified Cobalt-Nickel Layered Double Hydroxide

锌空气混合电池阴极通过铁酞菁修饰层状双氢氧化物提升氧还原/氧化双功能催化性能，实现0.608 V低过电位和79.2%循环1000次后高能量效率。

　　这项研究聚焦于一种新型的多功能阴极材料，即铁酞菁（FePc）修饰的钴镍氢氧化物（CoNi-LDH），并将其应用于锌-钴镍/空气混合电池中。这种电池因其高电压和安全性而受到关注，但同时也面临阴极氧气析出（OER）的问题，这不仅降低了能量效率，还影响了电池的稳定性。尽管锌-空气电池的设计在一定程度上可以缓解这一问题，但由于缺乏高效的双功能催化剂，其发展仍然受到限制。为了解决这一难题，研究人员开发了一种具有优异性能的多功能阴极，通过将FePc与CoNi-LDH结合，有效提升了电催化活性，从而实现了低的OER/ORR总过电位，为混合电池的高效运行奠定了基础。

锌-钴镍/空气混合电池作为一种新型储能系统，具有广阔的前景。它结合了锌-空气电池的高能量密度和锌-金属电池的高容量，同时避免了传统电池体系中的一些安全隐患。这种电池的核心在于其阴极材料的选择，它不仅需要具备高效的电化学反应能力，还必须能够有效催化氧气还原（ORR）和氧气析出（OER）过程。传统的钴镍氢氧化物（CoNi-LDH）虽然在电化学性能上表现出色，但其在双功能催化方面的表现仍不足以满足实际应用的需求。因此，研究者希望通过引入FePc来改善这一问题。

FePc作为一种单原子催化剂，具有优异的电催化性能。它不仅能够提高ORR的效率，还能够有效催化OER，从而减少电池在充放电过程中产生的副反应。FePc的引入通过Fe-O轴向配位的方式，与CoNi-LDH形成相互作用，促使电荷在材料之间重新分布。这种电荷转移和配位作用显著改变了氧气中间体的吸附能，从而提升了材料的双功能催化性能。实验结果表明，FePc/CoNi-LDH阴极在OER和ORR过程中表现出较低的过电位，分别达到273 mV和0.895 V，这为混合电池的高效运行提供了有力支持。

此外，FePc/CoNi-LDH阴极的引入还赋予了混合电池独特的两步放电特性。第一阶段的电压平台位于1.65至1.55 V之间，这主要归因于CoOOH/NiOOH向Co(OH)?/Ni(OH)?的反应过程；第二阶段的电压平台则出现在1.25 V，来源于ORR反应。这种独特的放电特性使得混合电池能够同时利用锌-钴镍电池的高电压特性和锌-空气电池的高容量，从而实现更高的整体能量效率。实验结果显示，该电池在1000次循环中仍能保持高达79.2%的能量效率，并在5 mA cm?2的电流密度下表现出优异的循环稳定性。

在合成方法方面，研究人员采用了一种简便的共沉淀法来制备FePc/CoNi-LDH阴极材料。这一方法不仅能够有效控制材料的结构和组成，还能够确保FePc与CoNi-LDH之间的均匀结合。X射线衍射（XRD）分析进一步证实了FePc/CoNi-LDH的结构特征，其衍射峰与CoNi-LDH在19.2°和38.3°处的峰一致，这表明FePc成功地修饰在CoNi-LDH的晶格上。这种结构的形成不仅有助于提高材料的电化学活性，还能够增强其在电池中的稳定性。

在催化性能方面，FePc/CoNi-LDH阴极表现出显著的优势。通过Fe-O轴向配位，FePc能够与CoNi-LDH之间形成稳定的相互作用，从而改变电荷分布，提升材料的双功能催化能力。这种提升不仅体现在较低的过电位上，还能够增强材料在充放电过程中的反应效率。实验结果表明，该阴极在OER和ORR过程中均表现出优异的催化性能，为混合电池的高效运行提供了坚实的理论和实验基础。

在实际应用中，FePc/CoNi-LDH阴极的引入不仅提高了电池的能量效率，还增强了其循环稳定性。这种稳定性对于储能系统来说至关重要，尤其是在需要长期运行和频繁充放电的场景中。研究人员通过实验验证了该阴极在5 mA cm?2的电流密度下能够保持良好的性能，这表明其具有良好的应用前景。此外，该阴极的两步放电特性也为其在实际应用中提供了独特的优势，使得混合电池能够在不同的工作条件下表现出更优的性能。

总的来说，这项研究通过将FePc与CoNi-LDH结合，成功开发了一种具有优异双功能催化性能的多功能阴极材料，为锌-钴镍/空气混合电池的高效运行提供了新的解决方案。该材料不仅能够有效抑制氧气析出反应，还能够提升氧气还原反应的效率，从而显著提高电池的整体能量效率和循环稳定性。这一成果对于推动高能量密度、高安全性的储能技术发展具有重要意义，同时也为其他类型的电池系统提供了新的研究思路和方向。