过渡金属复合材料为乏善可陈的锌空气电池性能提供了具有成本效益的提升

可充电锌空气电池由空气中的氧气氧化锌提供动力，为清洁和安全的可再生能源提供了一种高效的存储选择。然而，电池性能受到缓慢的氧电化学反应的阻碍，这是规模化和商业化的关键瓶颈。

在他们发表在Particuology上的研究中，的一组研究人员设计了一种提高电池性能的策略，该策略包括通过结合两种过渡金属来提高氧反应以提供高电催化活性。

大多数可再生能源，包括太阳能，缺乏长期稳定性，需要高效的储能系统与电网集成。可充电锌空气电池被认为是下一代储能的良好候选者，因为它们具有超高的理论能量密度。这些电池从空气中吸取其主要反应物之一——氧气。它们不含有毒化合物，可以回收、安全处理并用新锌充电。

障碍在于电池充电和放电期间在空气阴极发生的一对电化学反应——析氧反应(OER)和氧还原反应(ORR)。

“ORR和OER的氧化还原动力学非常缓慢，导致严重的极化、降低的能源效率和实际可充电锌空气电池的循环寿命有限，”论文作者、北京理工大学副教授Bo-QuanLi说。

为了使锌空气电池大规模可行，这些反应需要加强。贵金属和过渡金属(镍、钴、锰和铁)可用于催化ORR和OER动力学，例如，通过加速电极和反应物之间的电子转移。这些技术有效，但成本很高。

“基于贵金属的电催化剂展示了最先进的电催化活性，并作为广泛接受的基准，”李说。“但成本高、地球稀缺、耐用性差，阻碍了它们的大规模实际应用。”

因此，不断寻找能够同时催化ORR/OER的高性能无贵金属选项对于实际的可充电锌空气电池非常重要，Li说。

先前的研究表明，由于原子效率、独特的电子结构和化学结构的多样性，将过渡金属原子嵌入导电碳基材中会产生高电催化活性。但是哪种金属对ORR和OER都最有效?

北京理工大学、清华大学和哈尔滨师范大学的研究团队在他们的研究中问：为什么只选择一个?

“单一类型的活性位点很难同时促进ORR和OER动力学以提供出色的双功能电催化活性，”李说。“组合具有各自电催化活性的不同活性位点已被证明是实现多功能性的有效策略。”

研究小组结合了两个原子过渡金属位点——原子铁(Fe)和原子镍(Ni)——并将复合材料嵌入氮掺杂碳(NC)基板上。Fe对氧还原具有高电催化活性，而Ni成功地促进了氧的析出。他们共同实现了两种反应中的高活性电催化剂。

“复合电催化剂表现出出色的双功能电催化活性，超过了贵金属基电催化剂和大多数已报道的基于类似活性位点的双功能电催化剂，”李说。

研究人员表明，配备FeNi-NC电催化剂的可充电锌空气电池可实现高峰值功率密度、高工作率和长寿命。

除了有效提高电池性能外，Fe和Ni是可充电锌空气电池中更昂贵和稀缺的贵金属氧电催化剂的经济高效、可扩展的替代品。

该研究小组现在正在开发技术以优化原子过渡金属位点的配置并提高工作条件下的循环稳定性。

“最终目标是实现用于实际应用的高倍率、高容量和长循环可充电锌空气电池，”李说。

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