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文 章 信 息
ΔE = 0.56 V双功能氧电催化剂实现高倍率和长循环锌空气电池
第一作者：王娟
通讯作者：李博权*，黄佳琦*
单位：北京理工大学
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研 究 背 景
锌空气电池因其低成本、本征安全和环境友好性，被认为是极具前景的下一代能源存储器件。然而，空气正极中氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）的动力学缓慢，限制了其在高电流密度和高面容量下的性能。因此，开发高性能的双功能催化剂来提升锌空气电池的性能尤为重要。双功能催化电压差（ΔE）通常用于定量评估催化活性，其中较低的ΔE值代表更高的催化活性。尽管在这一领域已经取得了重要进展，但将ΔE值降低至0.60 V以下仍然是实现锌空气电池实用化的重大挑战。
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文 章 简 介
近日，北京理工大学的李博权副研究员和黄佳琦教授团队在《Advanced Functional Materials》期刊上发表了题为“Enabling High-Rate and Long-Cycling Zinc–Air Batteries with a ΔE = 0.56 V Bifunctional Oxygen Electrocatalyst”的研究论文。研究团队设计了一种具有超高活性的双功能催化剂，其电位差ΔE为0.56 V，显著优于贵金属催化剂（Pt/C+Ir/C，ΔE = 0.77 V）以及其他许多已报道的双功能催化剂（ΔE≥0.60 V）。该催化剂由铁基单原子和纳米层状双金属氢氧化物的纳米级复合构成，实现了高本征活性位点在电子离子通路上的有效整合。基于该双功能催化剂的锌空气电池实现了198 mW cm−2的峰值功率密度，稳定循环6000次。此外，该电池在50 mA cm−2和10 mAh cm−2的条件下也表现出良好的循环稳定性。研究团队还构筑了安时级锌空气电池，并在1.0 A和1.0 Ah的条件下进行了循环测试。这项研究不仅刷新了双功能催化剂的活性记录，还拓宽了锌空气电池在未来储能应用中的潜力。
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本 文 要 点
要点一：高活性双功能催化剂的构筑
基于文献调研我发现，高活性的双功能催化剂应该具备三个特征：高本征活性的双功能催化位点，有效的离子/电子通路以及高的活性表面积。在上述设计原则的指导下，本研究选择了高本征活性的铁基单原子位点和层状双金属氢氧化物位点分别作为ORR和OER的活性位点。具体地，通过将原子分散的金属位点锚定在由ZIF-8衍生的多孔纳米碳骨架表面制备单原子催化剂（ORR-cat）。进一步通过低过饱和度共沉淀法合成镍铁层状双金属氢氧化物（OER-cat）。通过位点复合策略，构建了双功能催化剂（Bi-cat），其形貌表征与结构分析如图1所示。可以看到，ORR-cat和OER-cat组分的基本形貌得以保留并且纳米级的OER-cat确保了与ORR-cat的良好空间兼容性，实现了高活性表面积。基于Bi-cat中碳骨架的存在，成功建立了交联的导电网络，以确保有效的电子通路。同时亲水的OER-cat和疏水的ORR-cat的复合增强了离子传输。
得益于这些协同优势，该催化剂表现出优异的双功能催化活性。Bi-cat实现了ΔE=0.56 V（图2），这一活性超越了贵金属催化剂Pt/C+Ir/C。进一步对比领域内报道的催化剂，Bi-cat以0.56 V的低ΔE值脱颖而出，超越当前先进的非贵金属双功能催化剂。
图1. Bi-cat催化剂的形貌结构表征。
图2. 双功能电催化活性评价。
要点二：催化剂稳定性与活性的关系
考虑到催化剂稳定性对于长循环锌空电池的重要性，我们基于并联分流原则探究了复合催化剂的稳定性和活性之间的关系。具体地，在锌空电池的充放电过程中，复合催化剂的OER位点和ORR位点以并联的形式存在，承担着相同的电压并分配电流。在充电过程中，如果OER位点的活性较差，大部分氧化电流将分配到ORR位点，导致较高的工作电位。ORR位点（通常为碳基材料）在高氧化电位下容易发生失效，进而导致锌空电池稳定性下降。相反，如果OER位点具有高催化活性，氧化电流的主要部分将集中在OER位点，同时对应的氧化电位较低。这可以减缓对ORR位点的破坏，从而提高双功能催化剂的稳定性。基于上述原理，由于Bi-cat具有超高的双功能活性，理论上具有优异的稳定性。为了实验上验证Bi-cat的高稳定性，选择ORR-cat作为对照催化剂（具备低OER活性的双功能催化剂）并在10 mA cm−2氧化电流条件下进行恒流测试。Bi-cat在电流密度为10 mA cm−2时，约90%的氧化电流分配到OER位点，为ORR位点提供保护（图3）。相反，ORR-cat承受了所有的OER电流。在恒流测试期间，间歇取点测试催化剂的ORR活性来评估催化剂的稳定性。结果表明，Bi-cat的半波电位随着时间的增加几乎没有明显下降，表明其具有优异的稳定性。相比之下，ORR-cat由于承受了几乎所有的氧化电流，表现出快速的性能衰退。这些结果验证了Bi-cat的高OER催化活性能够保护ORR位点免受高氧化电位的影响，从而在OER工作条件下提高其稳定性，使Bi-cat成为长循环可充电锌空气电池的极具潜力的正极催化剂。
图3. 双功能电催化剂稳定性与活性的关系
要点三：面向高倍率高面容量场景的二次锌空气电池
为了进一步验证Bi-cat催化剂的实用性，基于该催化剂组装了锌空气电池并进行性能评估（图4）。基于Bi-cat催化正极的电池相比贵金属催化剂展现出更小的极化；此外，基于Bi-cat催化正极的电池表现出更好的倍率性能、更小的充放电电压差和更高的能量效率。在10 mA cm-2的条件下，能够稳定循环6000圈且充放电电压差仅为0.76 V。同时能够在50 mA cm−2和10 mAh cm−2的条件下稳定循环160圈。
图4. 基于Bi-cat催化剂构筑的锌空电池性能
为了探索锌空气电池的实用化潜力，本研究构筑了安时级锌空气电池器件。如图5所示，基于Bi-cat 正极的锌空气电池能够实现3.2 W的输出功率和8.0 A的输出电流。此外，安时级锌空气电池能够在0.50 A和0.50 Ah的实用化边界条件下进行稳定循环，在20圈的储能后没有明显性能衰减，表明锌空气电池具有在实际储能场景的应用潜力。
图5. 安时级锌空电池器件性能
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文 章 链 接
Enabling High-Rate and Long-Cycling Zinc–Air Batteries with a ΔE = 0.56 V Bifunctional Oxygen Electrocatalyst
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202413562
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通 讯 作 者 简 介
李博权副研究员简介：北京理工大学前沿交叉科学研究院副研究员，博士生导师，万人计划青年拔尖人才。主要从事锂硫电池、金属锂电池、金属空气电池等高比能二次电池的化学机制、材料构筑与器件应用等方面的研究。相关研究成果发表SCI论文100余篇，包括43篇ESI高被引论文，引用19000余次，H因子80，授权6项中国发明专利。主持科技部重点研发课题、国家自然科学基金等项目，入选2021–2023年科睿唯安全球高被引科学家。
黄佳琦教授简介：北京理工大学教授，博士生导师。长期从事高比能、高安全、长寿命的固态电池、锂硫电池及金属锂电池等新体系电池的基础与应用研究，尤其是在关键能源材料、界面电化学转化机制以及电池器件等方面积累的丰富的研究经验和研究基础。目前已在Nat Energy, Angew Chem Int Ed, J Am Chem Soc, Adv Mater, Chem, Matter, Adv Funct Mater, Sci Bull等期刊发表研究工作200余篇，总他引4万余次，其中85篇为ESI高被引论文，H因子110。获国家自然科学基金杰出青年基金（2025），第十七届中国青年科技奖特别奖（2022），国家级高层次青年人才（2019），北京市杰出青年科学基金（2020）等。连续入选科睿唯安高被引科学家（2018-2020 材料学科，2021-2023年化学、材料双学科），获中国颗粒学会自然科学一等奖（2022，第一完成人），EnSM青年科学家奖（2022），EcoMat 青年研究奖（2023），中国颗粒学会青年颗粒学奖（2018），中国化工学会侯德榜化工科技青年奖（2016）等荣誉奖励。作为负责人主持国家重点研发计划课题、北京市自然科学基金杰出青年科学基金、国家自然科学基金面上项目等多项国家级和省部级科研项目。
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