清华吕瑞涛AM：Fe-N4/C催化剂实现稳定循环超1000小时的锌-空气电池！

锌空气电池（ZAB）由于高理论比能量密度、低成本、高安全性和环境友好性具有很强的竞争力。由于充放电过程中氧还原和析出反应 (ORR/OER) 的缓慢动力学，开发无贵金属、耐用、高效的ORR/OER电催化剂是发展ZABs的关键。

在此，清华大学吕瑞涛副教授等人合成了一种固定有原子分散的Fe-N₄/C催化剂的柔性自支撑碳纤维膜（Fe/SNCFs-NH₃），并将其用作ZAB的空气阴极。具有分级纳米孔的交织碳纤维有利于促进气体传输、电解液渗透和电子转移。

NH₃活化后较大的比表面积暴露出嵌入碳基底中的高浓度Fe-N₄/C位点。此外，通过掺杂硫来调节Fe/SNCFs-NH₃催化剂局部原子构型从而实现优异的ORR和增强的OER活性。

图1. Fe/SNCFs-NH₃的合成与结构表征

因此，合成的Fe/SNCFs-NH₃催化剂表现出0.89 V的正半波电位和70.82 mV dec^-1的小塔菲尔斜率，优于商业Pt/C (0.86 V/94.74 mV dec^-1) 和大多数报道的 M-N_x/C (M = Fe, Co, Ni) 催化剂。

实验表征和理论计算揭示了S掺杂在调节 ORR/OER活性中的关键作用。使用Fe/SNCFs-NH₃催化剂作为空气阴极的液态ZAB可提供255.84 mW cm^-2的大峰值功率密度以及超过1000小时的长期循环耐久性。固态ZAB也表现出稳定的循环，在便携式和可穿戴设备应用中展示了广阔的前景。

图2. Fe/SNCFs-NH₃催化剂作为空气阴极的ZABs的电化学性能

Atomic Fe-N₄/C in flexible carbon fiber membrane as binder-free air cathode for Zn-air batteries with stable cycling over 1000 hours, Advanced Materials 2021. DOI: 10.1002/adma.202105410

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清华吕瑞涛AM：Fe-N4/C催化剂实现稳定循环超1000小时的锌-空气电池！

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