陈忠伟/刘桂华/武兰兰Adv. Sci.：用于锌空气电池的高效耐用ORR电催化剂

金属氧化物负载的非贵金属的合理设计对于开发稳定高效的氧还原反应（ORR）电催化剂至关重要。3D有序大孔（3DOM）材料具有比表面积大、传质效率高、结构稳定性好等优点，开发具有大孔结构的缺氧金属氧化物载体复合材料是设计高效、耐用的ORR催化剂的一种很有前途的策略。

在此，加拿大滑铁卢大学陈忠伟院士及河北工业大学刘桂华、武兰兰等人开发了一种高效的ORR催化剂（3DOM Fe/Co@NC-WO_2-x），该催化剂由缺陷氧化钨支撑的二元Fe/Co纳米团簇和具有3D有序大孔结构的嵌入N掺杂碳层（NC）组成。3DOM架构设计不仅提供了高表面积以暴露活性位点，而且还加速了固体-电解质-气体反应界面处的质量传输。

NC-WO_2-x载体提高了催化剂的导电性，同时为负载的Fe/Co纳米团簇提供了丰富的锚定位点。拉曼、电子顺磁共振 (EPR) 和XPS分析证明，与未经氨处理的样品（3DOM Fe/Co@C-WO_2-x）相比，氨处理会导致更多缺陷从而提高ORR活性。

图1. 3DOM Fe/Co@NC-WO_2-x组装的锌空气电池性能

此外，理论计算表明，在负载的Fe/Co二元簇中，电子从Fe转移到Co存在协同效应，促进了ORR反应的能量学。因此，3DOM Fe/Co@NC-WO_2-x催化剂在碱性介质中表现出优异的ORR活性，其半波电位（E_1/2）比Pt/C（0.85 V）高0.87 V。

基于3DOM Fe/Co@NC-WO_2-x组装的锌空气电池正极提供比Pt/C更高的功率密度（165.1 mW cm^-2）和比容量（757 mAh g^-1），组装的柔性锌空气电池可提供28.2 mW cm^-2的峰值功率密度，表明其在实际应用中的潜力。本文提供了一种结合协同二元金属纳米团簇和导电金属氧化物载体设计的新策略，以开发高效耐用的ORR电催化剂。

图2. 柔性锌空气电池的结构及性能

Synergistic Binary Fe–Co Nanocluster Supported on Defective Tungsten Oxide as Efficient Oxygen Reduction Electrocatalyst in Zinc-Air Battery, Advanced Science 2021. DOI: 10.1002/advs.202104237

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陈忠伟/刘桂华/武兰兰Adv. Sci.：用于锌空气电池的高效耐用ORR电催化剂

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