水热复合FeCo2O4尖晶石增强LaNiO3钙钛矿双功能催化活性及其在锌空气电池中的应用

针对锌空气电池中氧还原(ORR)和氧析出(OER)反应动力学缓慢、贵金属催化剂成本高的问题，研究人员通过溶胶-凝胶与水热两步法合成LaNiO3/FeCo2O4纳米复合催化剂。该材料具有51.66 m2 g?1高比表面积，OER过电位(339 mV)优于商用RuO2，ORR活性为单一组分的1.89-2.37倍，应用于锌空气电池时展现出1.54 V开路电压和650小时循环稳定性，为钙钛矿/尖晶石异质结构设计提供新思路。

　　

可再生能源存储领域长期面临的关键挑战在于开发高效稳定的电化学催化剂。锌空气电池因其1086 Wh·kg^?1的理论能量密度和环保特性被视为最具前景的储能系统之一，但其商业化进程受制于氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)的缓慢动力学。传统贵金属催化剂如Pt/C和RuO₂虽具有选择性催化活性，但成本高昂且难以实现ORR/OER双功能协同。钙钛矿氧化物LaNiO₃因其Ni³⁺的t_2g⁶e_g¹理想电子构型被寄予厚望，但实际合成中存在的Ni²⁺杂质、低比表面积(2-10 m² g^?1)等问题严重制约其性能。与此同时，FeCo₂O₄尖晶石虽具有结构稳定性，却面临导电性差、活性位点有限的困境。

针对这一科学难题，黑龙江某研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，创新性地通过溶胶-凝胶与水热两步法构建LaNiO₃/FeCo₂O₄(LN-FC)异质结构。研究人员采用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)等表征手段结合密度泛函理论(DFT)计算，系统探究了材料结构与性能的构效关系。

材料制备与表征
通过调控EDTA-柠檬酸络合剂比例制备LaNiO₃前驱体，后续水热生长FeCo₂O₄形成分级结构。XRD证实复合材料保持两相纯净结构，无杂相生成。透射电镜(TEM)显示10-20 nm的LaNiO₃颗粒均匀锚定在FeCo₂O₄纳米片上，BET测试显示比表面积达51.66 m² g^?1，较单一组分提升5-25倍。

电化学性能
在0.1 M KOH电解液中，LN-FC的OER过电位(339 mV@10 mA cm^?2)低于RuO₂(350 mV)，ORR半波电位(0.734 V)较单一LaNiO₃提升60 mV。锌空气电池测试中，其能量密度(877 Wh·kg^?1)接近理论值的81%，650小时循环后电压衰减仅8%，显著优于Pt/C+RuO₂对照组。

机理研究
XPS证实复合材料中Ni³⁺/Ni²⁺和Co³⁺/Co²⁺氧化还原对浓度增加，氧空位含量提升42%。DFT计算表明异质界面处e_g轨道占据数优化至1.2，促进氧中间体吸附并激活晶格氧机制(LOM)。电荷密度差分图显示界面处电子从FeCo₂O₄向LaNiO₃转移，形成内置电场加速电荷传输。

该研究不仅为锌空气电池提供了高性能非贵金属催化剂，更揭示了钙钛矿/尖晶石异质结构中电子结构调控的普适性规律。通过构建双相协同效应，同时解决了单一材料导电性差、活性位点不足等瓶颈问题，为新能源材料设计提供了"缺陷互补"的新范式。未来研究可进一步探索其他ABO₃/AB₂O₄组合的催化性能，推动可再生能源转换器件的发展。