北京化工大学《AEM》：一种新型催化剂助力高性能锌空气电池！

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碱性介质中的氧还原反应（ORR）是电化学能量转换设备（如金属-空气电池）中的重要半反应。目前，科研人员已作出巨大努力去探索替代品。目前的思路是使用地球富含的元素去替代铂（Pt）基催化剂，尽管Pt在ORR的催化中最为著名，但该催化剂储量稀少并且成本高。最近，具有原子分散、均匀分布金属中心的过渡金属单原子位（SAS）催化剂与M-N-C结构引起了科研人员的大量研究和关注，该催化剂可以在碱性条件下替代Pt，因此具有巨大的潜力。开发廉价和高度有效的非易性金属催化剂用以取代碱性氧还原反应中的Pt是一个热门的研究方向。

近日，来自北京化工大学、中科院高能物理研究所、清华大学等单位的研究人员在《Adv. Energy Mater》上发表题为“Mn-N4 Oxygen Reduction Electrocatalyst: Operando Investigation of Active Sites and High Performance in Zinc–Air Battery”的文章。

在碱性减氧反应过程中，本文研制出半波电位（E1/2）高至0.910V的Mn还原电催化器，利用操作性X射线吸收光谱法对高度电化的Mn单原子位点的动态原子结构变化进行了研究。这些结果表明，低价Mn^L+-N4是减氧过程中的活动位点。密度功能理论表明，从Mn^L+-N4到吸附的OH物质的容易电子转移性在电催化性能中起着关键作用。此外，当该 Mn-N4 材料作为锌空气电池中的阴极时，具有高功率密度和优异的耐用性，这显示出其在实际设备中替代 Pt 催化剂的广阔潜力。

图1|合成方案和结构表征

图2|减氧反应中的电催化性能

图3|X 射线吸收光谱表征 

图4|减氧反应的DFT计算 

图5| Zn+空气电池性能

综上，本文研制了一种高度富电的基于Mn的SAS电催化剂，并采用操作性SAS技术研究其在碱性 ORR 过程中的动态原子结构变化。XAS 结果显示，Mn^L+-N4 很容易被 OH+ 在电解质中毒化。DFT 计算证明，原子分散的 Mn^L+-N4 位点有助于电子转移到 *OH 粒子当中。此外，基于 Mn 的SAS 催化剂在组装到锌空气电池时表现出高功率密度和优异的耐用性。这项工作不仅在减氧反应和相关能量装置中提供了Pt催化剂的可替代方案，并且为在现实的 ORR 条件下的活性位点提供了深入的洞察，为通过协调工程优化SAS催化剂的电催化性能提供了深入的见解。

原文链接
https://doi.org/10.1002/aenm.202002753

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