何成/李智君AM：Fe SAs/NC助力Zn-空气电池

可再充电Zn-空气电池通常需要高效、耐用且廉价的双功能电催化剂来支持氧还原反应/析出反应（ORR/OER），但必须解决缓慢的动力学和大规模运输的挑战。

基于此，西安交通大学何成副教授和东北石油大学李智君教授（共同通讯作者）等人报道了一种介孔氮掺杂碳载体（NC）负载原子分散的Fe原子的催化剂（Fe SAs/NC）。

含有Fe₁N₄O₁位点的Fe SAs/NC在全pH范围内都具有显著的ORR活性，在碱性、酸性和中性电解质中的半波电位分别为0.93 V、0.83 V和0.75 V。

在碱性下，在10 mA cm⁻²时OER的过电位为320 mV。此外，具有Fe SAs/NC的Zn-空气电池在峰值功率密度、比容量和循环稳定性方面均优于Pt/C+RuO₂基Zn-空气电池。

通过DFT计算，作者研究了Fe SAs/NC优异催化活性的来源。作者对Fe₁N₄O₁构建了9种类型的模型，其中类型i的形成能最低，表明该结构在能量上比其他结构更有利。

由于Fe₁N₄O₁结构独特，对比Fe₁N₄结构，更多的电荷从Fe中心转移到附近的N和O元素上，表明O的诱导可以诱导Fe₁N₄中心周围的电荷空间重分布，优化了吸附含氧中间体的吸附/解吸行为，从而影响了催化性能。

基于预测态密度（PDOS）和d-带理论，Fe₁N₄O₁的d-带中心下降至-0.90 eV，表明反键态的能级降低和占用率升高。

此外，电子状态的改变有助于调节Fe₁N₄中过于强烈的金属-吸附剂相互作用。通过Bader电荷和差分电荷密度发现，Fe₁N₄O₁从Fe转移到吸附O₂的电荷量明显降低，导致O₂与Fe₁N₄O₁之间的吸附减弱。从热力学角度看，吸附减弱对ORR有利。

Engineering the Electronic Structure of Single Atom Iron Sites with Boosted Oxygen Bifunctional Activity for Zinc-Air Batteries. Adv. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adma.202209644.

https://doi.org/10.1002/adma.202209644.

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