蛋白质模板法制备铁镍亚纳米簇用于高性能储能与电催化

来自国际团队的研究人员通过牛血清白蛋白(BSA)模板法成功制备了铁镍亚纳米簇(FeSNC/NiSNC)，并将其与氧化石墨烯复合形成多级孔碳气凝胶。该材料作为超级电容器-电池混合器件电极时展现出超高比电容(FeSNC: 373 F g?1，NiSNC: 1125 F g?1)和能量密度(47 W h kg?1)，其析氧反应过电位(η10 = 270 mV)更优于RuO2基准物。分子动力学模拟与密度泛函理论揭示了亚纳米簇的独特电子特性，为新一代能源材料开发提供了重要范式。

　　

这项突破性研究开创性地利用牛血清白蛋白(BSA)作为生物模板，精准构建了铁(Fe)和镍(Ni)的亚纳米级金属簇(Subnanoclusters)。通过水热法将所得纳米簇与氧化石墨烯(GO)复合，再经氢氧化钾(KOH)催化热解，最终获得具有分级多孔结构的蛋白质/石墨烯衍生碳气凝胶材料。

电化学测试显示，碳基负载的铁亚纳米簇(FeSNC)负极和镍亚纳米簇(NiSNC)正极在1.0 A g^?1电流密度下分别展现出惊人的373 F g^?1(93 mAh g^?1)和1125 F g^?1(101 mAh g^?1)比容量。组装成超级电容器-电池混合器件后，能量密度高达47 W h kg^?1，功率密度突破18 kW kg^?1，并保持超过12,000次循环的卓越稳定性。

更令人振奋的是，FeSNCs在析氧反应(OER)中表现出270 mV的低过电位(η₁₀)，显著优于商用二氧化钌(RuO₂)催化剂(328 mV)。结合分子动力学(MD)模拟和密度泛函理论(DFT)计算，研究团队深入解析了这些亚纳米簇材料的动态行为与电子结构特征，为理解其卓越性能提供了理论依据。

该工作不仅展示了蛋白质模板法在制备金属亚纳米簇方面的独特优势，更为发展新一代高效能源存储与转换技术开辟了崭新路径，在燃料电池、金属-空气电池等前沿领域具有重要应用前景。