2024年5月17日，湖南大学、伦敦大学学院和牛津大学组成的联合研究团队，黄中原、Ivan Parkin、何冠杰和李焕新等人在清华大学主办的高起点新刊Nano Research Energy上发表题为“Fe-Co-Ni ternary single-atom electrocatalyst and stable quasi-solid-electrolyte enabling high-efficiency zinc-air batteries”的最新研究文章。
作为一种可充电电源，锌空气电池具有理论能量密度高、安全稳定、经济环保等优势，具有广阔的应用前景，而基于准固态电解质的柔性锌空气电池则具有便携性，尤其适合于可穿戴设备相关应用。锌空气电池的大规模应用有赖于低成本及高效的氧还原和氧析出反应电催化剂研发，在以往的研究中，非贵金属单原子催化剂因其成本低廉、电化学活性优越而广受关注，而多种金属单原子协同的双单原子催化剂则能够进一步提高催化活性。然而由于不同金属与合成前体之间的作用力不同，三单原子电催化剂的制备仍然面临挑战，其协同作用的发挥也受到限制。
图1. (a) 基于 FeCoNi三单原子催化剂的锌空气电池示意图；(b) FeCoNi三单原子催化剂结构示意图；(c) 使用聚乙烯醇膜的准固态锌空气电池示意图；(d) 使用FeCoNi三单原子催化剂的准固态锌空气电池给手机充电。
针对上述问题，李焕新等人利用沸石咪唑框架（ZIF）为前驱体，通过高温热解过程实现了金属单原子的原位沉积和紧密锚定，成功得到了具有Fe-Co-Ni三单原子活性位点的氮掺杂多孔碳催化剂（FeCoNi-Nx）。在电化学反应过程中，含量较高的Fe单原子贡献了主要的催化活性，而Co和Ni单原子的存在则有效调控了电子结构，从而使三种金属之间的协同效应得以发挥，在氧还原及氧析出催化中均表现出优于双单原子对照组的性能。另一方面，通过厚度、机械性能、离子电导率等方面的优化，该团队通过浇筑成型及干燥得到了可作为准固态电解质的聚乙烯醇膜（CD-PVA），并将其与三单原子催化剂结合组装了柔性锌空气电池。该电池具有60 mW/cm2的最高能量密度，897.1 mAh/g的放电容量和优异的循环稳定性，优于此前文献中报道的性能，并可成功驱动小风扇、LED屏及给手机充电。总的来说，本文报道了一种简便制备FeCoNi三单原子电催化剂以发挥金属位点协同作用的方法，并将其与固态电解质优化相结合，实现了优异的柔性锌空气电池性能，为锌空气电池及相关储能装置的研发提供了借鉴。
第一作者：Shifeng Qin, Kaiqi Li
通讯作者：
湖南大学黄中原
伦敦大学学院Ivan Parkin、何冠杰
牛津大学李焕新
相关论文信息：
论文原文在线发表于Nano Research Energy，点击“阅读原文”查看论文
论文标题：
Fe-Co-Ni ternary single-atom electrocatalyst and stable quasi-solid-electrolyte enabling high-efficiency zinc-air batteries
论文网址：
https://doi.org/10.26599/NRE.2024.9120122
DOI：10.26599/NRE.2024.9120122
论文引用：
Qin S, Li K, Cao M, et al. Fe-Co-Ni ternary single-atom electrocatalyst and stable quasi-solid-electrolyte enabling high-efficiency zinc-air batteries. Nano Research Energy, 2024, 3: e9120122. https://doi.org/10.26599/NRE.2024.9120122
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