窦士学/吴超Small: 用于锌空气电池的铁基单/双原子催化剂的最新进展

锌空气电池（ZABs）以其高理论比能量密度、低毒性、高丰度和安全性而备受关注。然而，实现廉价高效的电催化剂以促进其商业化是仍然是一个巨大的挑战，铁基单/双原子催化剂（SAC/DAC）因为具有最大的原子利用率、优异的催化性能和低廉的价格已成为有力候选者。

在此，澳大利亚伍伦贡大学窦士学教授、吴超等人系统地总结了铁基SACs/DACs及其在ZABs中应用的研究进展，主要强调了结构-性能关系，旨在为未来储能装置的空气电极设计提供指导。

其中，碳材料因其高本征电导率和大比表面积而成为铁基SAC/DAC的主流选择，引入多孔结构和N原子是常用的改性方法。孔隙不仅为反应中间体和最终产物提供更多的转移途径，还可以提供更多的边缘位点，有利于单个金属原子的锚定。

另一方面，吡啶N可以有效地固定孤立的Fe原子形成Fe-Nx，这是目前Fe基SACs/DACs的核心结构。此外，将S、B、P和Si等杂原子引入催化剂是调整其电子结构和提高其对氧反应的固有活性的简便方法。与杂原子类似，当不同的单原子金属位点与单个Fe位点匹配形成DACs时，由于电荷再分配和优化费米能级带来的催化动力学改善，DACs也可以增强ZAB性能。

图1. 水系ZAB的结构组成

最后，作者总结了实现高性能ZAB商业化的挑战：

（1）应进一步优化电催化剂的可控合成和相应的生产成本，寻求新的合成方法来精确控制单个金属原子的沉积位点并降低能耗对于构建高效实用的ZABs空气电极是必要的。

（2）建立更清晰的结构-性能关系，应进一步研究各种基底和杂原子对电催化剂的影响。

（3）应对结构-性能关系的机制进行更深入的研究，复杂的协同效应（孤立的Fe原子、各种类型的多孔结构、不同的杂原子掺杂）影响ORR/OER性能的机制仍有待深入探索。综上所述，铁基SACs/DACs 可以作为一种有前途的高性能ZAB空气电极，其高速发展可以最终实现ZABs的商业化。

图2. 双原子位点的几何结构分类及DAC的催化性能

Recent Progress on Fe-Based Single/Dual-Atom Catalysts for Zn–Air Batteries, Small 2022. DOI: 10.1002/smll.202106635

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