ACS Catal：深圳大学发表最新研究成果！

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可充电锌-空气离子电池具有安全、零污染、高能量、大功率、低成本及材料可再生等优点，其中空气电极中的氧气电催化剂是技术的关键。

鉴于此，近日，深圳大学赵伟研究员课题组在《ACS Catalysis》期刊上，发表了题为“Simultaneously Engineering the Synergistic-Effects and Coordination-Environment of Dual-Single-Atomic Iron/Cobalt-sites as a Bifunctional Oxygen Electrocatalyst for Rechargeable Zinc-Air Batteries”的研究成果。

图文解读

研究主要报道了一种利用原子-界面调控的方法，合成了氮/硫掺杂的多孔碳担载的铁/钴单原子协同双催化剂，用作空气电极材料实现了优异的锌-空气电池循环充放电性能。通过多种实验表征技术并结合理论计算，确定了非对称配位的Fe-(N₂S)和Co-(N₂S)结构提高了电荷转移效率，降低了反应能垒，提升了ORR和OER反应性能。

图1

研究人员成功制备了氮/硫掺杂的多孔碳担载的Fe/Co双位点单原子催化剂Fe,Co/DSA-NSC，用SEM、HRTEM、XRD、HAADF-STEM、XAS等对催化剂材料做了表征，文章里有详细介绍，这里不多做赘述，主要证明了催化剂的Fe/Co单原子双催化中心，以及金属Fe/Co单原子位点周围的化学配位结构与环境（图1）。

图2

催化剂Fe,Co/DSA-NSC的电化学测试情况：ORR的半波电位为879 mV，OER的过电位为210 mV（j=10 mA/cm²）；ORR半电池测试，经过10000圈CV循环以后，半波电位只下降了6 mV；OER稳定性测试，在电流密度为10 mA/cm²的情况下经过20小时的连续运行以后，过电位只增加了0.1%。随后研究组尝试了应用，使用Fe,Co/DSA-NSC催化剂作为空气电极制成了可充电锌-空气电池，发现具有良好的充放电性能以及优异的循环稳定性：开路电压VOC为1.52 V，功率密度峰值为240 mW/cm²，好于常用的参考基准商业化Pt/C & IrO₂作为空气电极的锌-空气电池（1.41 V&189 mW/cm²），在电流密度为10 mA/cm²情况下的比电容（specific-capacity）为748 mA h gZn⁻¹，也好于Pt/C & IrO₂的锌-空气电池（621 mA h gZn⁻¹）。

图3

为了深入理解该催化剂优异性能的内在原因，研究组做了DFT理论计算，研究了催化剂材料的电子结构与OER/ORR反应机理，确定了非对称配位的Fe-(N₂S)和Co-(N₂S)结构是活性位点，并且Fe-(N₂S)对于ORR具有更高的活性，而Co-(N₂S)对于OER具有更高的活性。Fe/Co双催化活性位点大幅降低了ORR和OER反应能垒，提高了电荷转移效率，从而提升了ORR和OER性能，以及锌-空气电池与之对应的充放电性能，详细介绍请参见文章（图2、图3）。

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